物質之輕：諾貝爾物理學獎得主的質量起源之旅

以哲學之重談「物質之輕」
 
中正大學哲學系講座教授  陳瑞麟

 
1940年代間，有一套「在世哲學家叢書」（The Library of Living Philosophers），出版一系列論文集，討論當時在世的大哲學家思想。1949年出了一本《愛因斯坦：哲學家－科學家》（Albert Einstein: Philosopher-Scientist），收錄其他大科學家和哲學家評論愛因斯坦思想的文章。愛因斯坦不是物理學（科學）家嗎？為什麼稱他為「哲學家」？如同 philosopher-scientist 這個雙聯名詞顯示，愛因斯坦是一位哲學家型的科學家，因為他總是企圖去理解世界的基本構造並希望由此揭開世界的真實（reality）。
由寫作《萬物皆數》、《物質之輕》這些科普著作，諾貝爾物理獎得主也是量子色動力學的創建者維爾澤克，極力證明自己也是一位哲學家型的科學家，他的野心甚至不止於此，他還想證明自己是一位優秀的科普作家、散文學家。
打開《物質之輕》，你會讀到一大堆看似艱澀的物理名詞：質量、原子、強子、夸克、漸近自由、色荷……可是，在我讀來，《物質之輕》到處充滿哲學（也許是我戴了哲學眼鏡在讀它），可以說，它的目標、敘述風格、思考方式和行文結構都是哲學的。
它的目標是哲學的，因為維爾澤克想透過當前已知的物理理論去勾勒出一幅世界如何被構造的圖像，他也相信這幅圖像是「世界的真實樣貌」，這是一個典型的哲學大哉問。它的敘述風格和思考方式是哲學的，因為行文以解釋物理概念的深層意義（即形上學意義）為主。維爾澤克以清晰的語言、概念的推演、生動的比喻努力讓讀者理解那些深奧的物理概念如何告訴我們這世界的真實樣貌（並佐以文學的筆法和幽默的口吻）。例如，在解釋「為何夸克不能獨立存在」時，他寫道：
 
夸克的色荷會在網格內（更明確來說，在膠子場內）造成擾動，而這樣的擾動會隨著距離增長。這就像是一朵奇怪的風暴雲，由一縷飄緲的中心長成一大團陰鬱的積雨雲，對場加以擾動，意思就是把場擺到一個較高能量的狀態裡。如果你越過無盡空間持續去擾動場，那麼耗費的能量就會是無限大。… 所以獨立的夸克不能存在。
 
濾去那些比喻的文學調味，這段話是告訴我們：如果想隔離出一個單獨的夸克時，必須使用無限大的能量，但這是不可能的，所以大自然無法找到獨立存在的夸克。（請注意：這段話也是解釋「質量起源」的一部分[1]。）但是，這馬上跑出一個有趣的哲學議題：可以說不能單獨存在的夸克真實存在嗎？
本書的結構也是哲學的。在第一章，維爾澤克以「感官與世界模型」開場，討論我們如何從感官接受的大量感覺訊息，透過心靈的思考，以及歷史上已有的科學成就，逐步建立各種世界模型，從而揭示出世界的深層構造。這就是標準的哲學思考程序。在討論物理核心概念如「質量」、「乙太」時，維爾澤克總是回溯這些概念的歷史，追蹤它們的演變，再討論它們在當代物理理論中的意義，這樣的手法也是典型的哲學手法──雖然內容非常物理。一言以蔽之，本書屬於物理學哲學、科學形上學。
「質量起源」是本書的核心問題，維爾澤克企圖統一馬克士威的電磁場理論、愛因斯坦的狹義廣義相對論、量子力學、量子場論、夸克理論與量子色動力學，建立一個可以回答「質量起源」的世界模型。在這個世界模型中，物質所在的時空並不是空無一物的空間與獨立流逝的時間，而是一個不斷與物質互動的「時空場」（廣義相對論的核心概念），維爾澤克又特別以「網格」（Grid，一個來自電腦科學的術語）來描繪它，因為這個概念捕捉到時空場的各種特徵。有趣的是，維爾澤克也把「網格」當成古老的「乙太」的當代新解，所以「網格」後又加了個按語：堅守陣地的乙太。[1]
維爾澤克的世界模型真是十分細緻、精采，也十分深奧。然而，對科學哲學家來説仍有問題：我們怎麼證明這幅精心繪製的世界圖像真的是世界真實樣貌？維爾澤克其實預見了這個問題，他舉出證據──在第九章討論的電腦計算與模擬──證明他的世界圖像可以回答「質量起源」，從而支持了整個世界模型。可是，這仍然有個科學哲學問題：電腦模擬真的足以證實一個世界模型（一個巨大的假設）？模擬要根據理論，這不會變成用自己證明自己嗎？維爾澤克最後訴諸於他的「美＝真」的理念，這是本書第三部分的內容。[2] 可以這樣說：這幅世界圖像「完美和諧地統一」了各種理論和經驗，它怎麼可能不真呢？這個理由能說服您嗎？
我相信這本書不僅對物理、科學學者有益，對科學哲學、物理哲學、形上學有興趣的學者也應該讀它，研究科技與社會的學者，也可以在這本書中看到物理學家究竟是怎麼思考的。

註一：從哲學的角度來看，「質量」這個字的英文是 mass，原本是「物質」的意思。後來它被用為表達「質量」──牛頓所說的「物質（質料）的量」（quantity of matter）──牛頓相信，所有物質物體都有自己特定的量。因此，mass其實有雙重涵義：一是質量，另一是物質，因此本書的核心問題「質量起源」也有「（一般）物質起源」的涵義。
註二：雖然維爾澤克已經追溯了「乙太」這個概念的一點發展歷史，這裡仍然值得補充一下。在亞里斯多德的理論中，「乙太」其實是「土、水、氣、火」之外的第五元素，是構成固體天球的元素，充塞整個天球之下，而天球就是整個宇宙。在笛卡兒的世界中，「乙太」是一種連續不斷的物質，雖然可以被分解成微粒子，但是微粒子和微粒子的空隙之間，仍然充滿了乙太物質。
註三：關於這個理念，維爾澤克以《萬物皆數》一整本厚書來討論。