物理定律是普遍的嗎?也就是說,物理定律是否適用于整個宇宙?
如果物理定律不是普遍的,那麽它不僅會對物理本身産生深遠的影響,還會對人們對物理的追求産生深遠的影響嗎?這是最近許多(理論)物理學家和宇宙學家的擔憂。
現在人們可以問,物理學家是否需要他們的定律具有普適性。有些人可能會說,爲了讓物理定律存在;另一些人可能會說,爲了使事情更簡單,需要普遍規律。然而,有沒有這樣自然法則,隨著時間的推移而改變而不適用于整個宇宙嗎?
宇宙本身是普遍的,但是爲什麽物理定律也應該是普遍的呢?當然,我們可以說,“物理定律”這個詞包含了普遍性的概念。然而,這難道不是一個偶然的語義事實,沒有任何深刻或必要的含義嗎?
盡管陳述了以上所有內容,許多物理定律的定義甚至沒有提及它們的普遍性。
看看下面的定義:
科學定律或科學原理是描述或預測自然中出現的一系列現象的陳述。
還有這一個:
科學規律總結和解釋了大量由實驗確定的事實,並根據它們預測未來實驗結果的能力進行檢驗。
此外,一些物理定律的定義確實提到了它們的普遍性。例如:
物理定律是普遍的。它們似乎適用于宇宙中的任何地方……宇宙中的一切顯然都必須遵循它們(根據觀測)。
具體到物理常數(或“自然常數”),也有這樣的定義:
一個物理常數,有時是基本物理常數,是一個物理量,通常被認爲是普遍的,在時間上有恒定的值
倫納德·苏斯金德谈宇宙法则
如果物理定律不是普遍的,那麽它們是什麽?讓美國物理學家倫納德·苏斯金德来解释一种可能性:
如果這些事情被證明是正確的,那麽物理定律的一些特征(可能是大部分)將是局部的環境事實,而不是寫在石頭上的定律——否則不可能是定律。
盡管蘇斯金德說過,物理定律總是意味著(曆史上、哲學上和科學上)是普遍的。也就是說,所有的物理定律都要在所有的情況下被實例化——無論是在所有類似的實驗中,還是在類似的條件下,當涉及到所有的行星/恒星時,等等。因此,有些人可能會說:
如果自然法不是普遍存在的,它們怎麽可能存在呢?
另一方面,政治法律是“地方性的”。在思維哲學或經濟學中也沒有“真正的規律”。這是因爲沒有任何精神或經濟現象是例外的,也不包括所謂的其他不平等的法律。另一種說法是,爲了使這些法律成爲法律,各種其他的不平等條款總是被硬塞進“精神法則”或經濟學法則中。然而,一些科學家和哲學家也對物理定律說過同樣的話!(參見南希·卡特莱特的《物理学定律的谎言》。
因此,如果自然法則在物理學中具有終極重要性(而且這些法則應該是普遍適用的),那麽任何從根本上挑戰這一點的東西,都會在物理學家圈子內外引起一定程度的恐慌。
同樣,如果我們沒有定律因爲我們沒有普適性,那麽我們有什麽?蘇斯金德這樣表達了他的擔憂:
令物理學家們擔心的是,這裏的地貌可能太過豐富,幾乎什麽都能找到——任何物理常數、粒子質量等的組合。他們擔心,這將消除物理學的預測能力。他們擔心,如果一切皆有可能,就沒有辦法證明這個理論是錯的——或者更確切地說,沒有辦法證實它。
如果蘇斯金德的“景觀”是無限的,那麽“什麽都能找到”。如果我們以哲學家大衛·刘易斯的可能性世界理论来思考,那么在这些世界中任何事情都是可能的——只要它们不涉及逻辑矛盾。然而,这些可能的世界可能确实涉及不同的物理定律,因此涉及不同的自然常数。因此,就像澳大利亚哲学家大卫·阿姆斯特朗所说的那样,我们有可能拥有这样一个“组合主义”的世界:在这个世界里,属性和事实不仅以无数种方式组合在一起,自然的常数也以无数种方式组合在一起。
在蘇斯金德的理論中物理學家們又該怎麽辦呢?如果定律是“地方性的”,那麽它們究竟是什麽意義上的定律呢?話雖如此,有什麽東西,能阻止定律地方化嗎?
以這個假設的場景爲例
物理學家曾經知道一個宇宙,他們說這個宇宙“由同樣的物理定律支配”。然而,事實證明情況並非如此。相反,宇宙實際上被劃分爲四個部分。
現在,在這四個部分中,定律被認爲是“通用的”——或者至少它們在每個部分中(全面)適用。那麽,怎樣才能阻止這四部分的存在規律呢?畢竟,每一個部分都有它自己適用的法律。
這裏有一個問題:怎樣才能阻止這一進程的繼續?
也就是說,也許這四個部分中的每一部分都被分成另外四個部分(現在總共有16個部分)。原則上,這是可能發生的!事實上,這可能會無窮無盡地發生。雖然也可以說它不一定會發生。這是有可能發生的。
那麽,這個思維實驗與2020年我們對宇宙的實際了解相比如何呢?就我們所知的宇宙的任何可能的亞時空部分而言,這種情況有意義嗎?
定律使預測成爲可能
倫納德•蘇斯金德還將自然法則與他所稱的“物理學的預測能力”聯系起來。換句話說,需要定律主要是爲了預測。所以,如果我們所堅持的規律不是普遍的,那麽預測不是會更困難甚至不可能嗎?換句話說,如果所有的定律都不適用,那麽預測怎麽可能呢?
也許物理定律仍然適用于我們以前假設的宇宙的各個子區域。因此,這些法律可能仍然在這些假設中起作用。
那麽關于我們從未觀測到的宇宙部分的預測呢?那些我們所知有限的部分呢?同樣,大多數物理學家希望他們的定律和預測都是普遍的。如果事實並非如此,那麽一些物理學家可能會說:這有什麽意義?有很多科學並不涉及普遍定律,比如經濟學,社會學,心理學等等。然而,這些學科是“軟科學”。物理學應該是一門“硬科學”。
這些推測的真實性是否意味著所有的科學(包括物理學)實際上都是軟的——至少相對而言是這樣?
保羅·斯坦哈特:物理形态
讓我們再問一遍前面的問題:物理定律是普遍的嗎?
普林斯頓大學的阿爾伯特·爱因斯坦科学教授保罗·斯坦哈特问了我们一个简单的问题,这个问题与我们自己的问题有关:
如果多元宇宙的大多數都如此不同,那麽在我們這個多元宇宙的小小角落裏,進一步探索隨機選擇的物理特性又有什麽意義呢?
上面斯坦哈特說的很多話在措辭上都有問題。盡管如此,這可能取決于斯坦哈特希望他的話在多大程度上被理解。
首先,“隨機”這個詞在“隨機選擇的物理特性”中是什麽意思?如果這些物理性質不是隨機選擇的,那麽另一種選擇是什麽?這些物理特性是必要的嗎?上帝選擇了他們?而且他這麽做是必然的?
那麽,爲什麽要用“選擇”這個詞呢?即使物理性質不是隨機的,爲什麽還要選擇它們呢?即使它們被選擇了,它們仍然是隨機的,因爲選擇者很可能選擇了不同的物理性質。