1、當代規范理論語境中的科學實在論    關于物質結構的各種量子場論（包括經典量子場論、規范場論、量子引力），都是量子力學和相對論從不同角度、用不同方法、在不同程度上的結合，其中以楊Mills理論為核心的規范場論是最成功的，以它為基礎的粒子物理的標準模型，統一描述了62種基本粒子及其相互之間的強作用、弱作用和電磁作用（描述引力作用的廣義相對論是一種不同于楊Mills理論的規范理論）。本文正是要在當代規范理論語境中，通過考察粒子物理的標準模型，直接面對科學實在論和反實在論爭論的焦點微觀世界中基本粒子是否真實存在的問題，為此要回答基本粒子到底是什么的問題，如果是

2、些理論實體（粒子、場或者弦），那么哪個更基本？如果是些數學結構，那么是些什么樣的表象？它們跟經驗證據有什么樣的關系？最終為科學實在論提供一個很好的案例和論證，說明科學理論能夠揭示物質世界的深層結構。一 關于量子場論哲學的研究進展無論在國內還是國外，有關相對論和量子力學的哲學研究都很多，相形之下，關于各種量子場論（包括經典量子場論、規范場論、量子引力乃至弦論）的哲學考察則為數不多。可是，從量子力學和狹義相對論結合產生經典量子場論（量子電動力學）開始，量子場論已成為當代物理學中最基本的部分，成為理解物質世界基本結構的概念框架，并且像物質世界的基本實體問題，以及物理對象、時空、實驗、相互作用之間的關

3、系問題等一系列新老問題，只有放在量子場論的統一框架中才可能闡釋清楚。同時，自從20世紀60年代邏輯經驗主義衰落之后，科學實在論和反實在論之間的爭論成為了科學哲學的主戰場。但是專門討論量子場論中的實在論問題的文章為數不多。在國內，由于辯證唯物主義的傳統，何祚庥的量子復合場論的哲學思考（1997）、金吾倫的物質可分性新論（1988）總結討論了物質的層次結構問題。薛曉舟、張會的現代物理學的哲學問題（1996）、洪定國的物理實在論（2001）以及薛曉舟的量子真空物理導引（2005）用了專門的章節討論量子場論的哲學，加上另外幾篇論文，都體現出物理系教授的準確性，但在哲學上的系統研究不夠。近幾年還出現在物

4、理學背景下討論時空實在論、結構實在論的幾篇論文，比如郭貴春、程瑞的“時空實在論與當代科學實在論”，以及在曹天予影響下對結構實在論的介紹等。但就量子場論哲學來說，國內最新進展是桂起權、高策等人撰寫的規范場論的哲學探究它的概念基礎、歷史發展與哲學意蘊（2008），該書的重點在于規范場論的概念思想史研究，是量子場論的哲學研究的一個亮點，也是國內規范場論哲學研究的新起點，只是該書尚未討論規范場論以及粒子物理標準模型中的科學實在論。事實上，量子場論中科學實在論（包括本體論）研究是更為基礎性的研究，這也可以從國外的研究看出來。在國外，公認的量子場論中的哲學問題研究，肇始于雷德黑德（Michael Redh

5、ead）的兩篇論文（1980和1983），尤其是“針對哲學家的量子場論”（1983）這篇論文，提出并試圖回答諸如：“能不能給量子場論一種粒子解釋；以及能不能確定基本粒子是場還是粒子；”等8個問題。1988年出版第一本會議論文集量子場論的哲學基礎,首次明確意識到量子場論的哲學研究滯后的原因主要是復雜的數學形式遮蓋了其中的哲學問題。1991年桑德斯和布朗（Simon Saunders，Harvey R. Brown）主編的論文集真空的哲學，12篇論文主要對量子場論中的真空概念進行了本體論方面的研究。20世紀90年代的研究專著只有三本。1995年泰勒（Paul Teller）的量子場論的詮釋1和歐陽

6、（Sunny Y. Auyang）的量子場論是如何可能的？2,分別提出了兩個相競爭的基本實體：場量子(field quanta)和場事件(field events)。1997年曹天予的量子場論史專著二十世紀場論的概念發展，在最后一章歷史性地總結了，正是規范場綱領中的本體論綜合了幾何綱領中的本體論和經典量子場綱領中的本體論，才實現概念發展，并為科學實在論做了辯護。隨后幾年主要是從事物理學哲學的專家跟主流科學家（包括好幾位因量子場論而獲諾貝爾獎者）就量子場論的基礎問題，所進行的相互對話和評論，形成三本會議論文集，量子場論的概念基礎（1999）、物理學在普朗克尺度上與哲學遭遇：量子引力的當代理論（2

7、000）和量子場論的本體論方面（2002），對話最多的還是量子場論中的本體論和實在論問題，包括對泰勒的量子場論的詮釋做了各種討論。學術論文也越來越多，綜合（Synthese）就量子場論中的結構實在論出了專輯（2003）。近幾年來，研究向縱深發展，2006至2008年牛津大學出版社出版的一套書，有一種把量子場論中的哲學研究跟一般的哲學理論研究結合起來的趨勢。其中一本希利（Richard Healey）的規范實在當代規范理論的概念基礎3（2007），該書第一部分（包括1-4章）從對人類最早發現的規范場電磁場中的電磁勢和A-B效應這種實驗現象的關系入手，認為規范勢表示了一種非定域的結構，該書第二部分

8、（包括5-8章）把第一部分的結論推廣到量子化了的規范理論中，試圖以圈（代替點）表象來解釋規范場論。該書是國外唯一一本專門研究規范理論哲學的專著，是作者多年來研究規范理論的總結，但是其重點還是在解釋規范場論本身。總之，人們逐漸認識到量子場論是科學哲學發展的新契機，猶如相對論和量子力學推動科學哲學的發展一樣。近幾年來在科學實在論和反實在論之爭中，國外反實在論陣營更加注重案例分析，發展了本來在反實在論中就很有力的“不充分決定論據”和“悲觀的元歸納證據”。面對新的挑戰，科學實在論不得不回到科學實在論和反實在論爭論的焦點基本粒子的實在性問題。其實，在當代規范理論的框架下討論科學實在論，正是量子場論的哲學

9、研究不同于相對論哲學和量子力學哲學的特質所在，它的地位類似于相對論中的時空問題和量子力學中的測量問題。二 關于粒子物理的標準模型2008年9月10日，花費20年耗資54.6億美元的大型強子對撞機（LHC）在著名的歐洲核子中心正式啟動，這個有80個國家和地區7000多名科學家和工程師參加的項目，首要任務就是為了證明粒子物理的標準模型中，被喻為“上帝的粒子”的“希格斯玻色子”的存在。（中國也有幾百個工程師和科學家參與了LHC對撞機和探測器的設計建造，并將參加物理數據的獲取、分析和研究。）希格斯玻色子和標準模型為什么如此重要呢？這跟它在標準模型中的地位、以及標準模型在粒子物理中的意義和地位有關。概括

10、地講，粒子物理的標準模型是統一描述所有基本粒子、及其相互之間的強相互作用力、弱相互作用力和電磁力的理論。就具體理論而言，粒子物理的標準模型包括電弱統一理論和量子色動力學，它們都是規范場論。在標準模型中，所有基本粒子分成費米子和玻色子，費米子自旋為半整數并且遵守泡利不相容原理，玻色子自旋為整數并且不遵守泡利不相容原理，而費米子之間的相互作用力是通過中介玻色子來傳遞的，由于每組中介玻色子的拉格朗日函數在規范變換中不變，所以這些中介玻色子就被稱為規范玻色子。標準模型中規范玻色子包括：8種傳遞強相互作用的膠子、1種傳遞電磁相互作用的光子、3種傳遞弱相互作用的W+、W-和Z0玻色子，這些規范玻色子自旋為

11、1，另外還有玻色子自旋為零的希格斯玻色子，正是它形成的希格斯場，使得在其中運動的夸克和輕子以及傳遞弱相互作用的W+、W-和Z0玻色子獲得質量，可以說希格斯玻色子是質量之源。也正是在此意義上可以說希格斯玻色子是標準模型的拱心石。另外，標準模型所預言的62種基本粒子中，除了13種規范玻色子和希格斯玻色子外的48種費米子，又分成發生強、電弱作用的夸克和只發生電弱作用的輕子。輕子分成6類，分別是電子和電子中微子、子和子中微子、子和子中微子，夸克又分成6味：上和下（u、d）、粲夸克和奇異夸克（c、s）、頂夸克和底夸克（t、b），每味再分成三色共18種夸克，這些輕子和夸克還有其對應的反粒子，總共48種。除

12、了引力子因質量太弱沒有觀察到外，希格斯玻色子是唯一一個在實驗室中還沒有找到的基本粒子，而粒子物理的標準模型重點是引力之外的三種基本相互作用力，所以希格斯玻色子的實驗驗證就更加重要，這也正是LHC的首要目標，對標準模型具有舉足輕重的意義。就標準模型對粒子物理的意義而言，自從1932年發現中子之后，新發現的粒子越來越多，在標準模型之前一直無法對它們進行統一描述，相反，自從20世紀60-70年代有標準模型后，粒子物理學從找不到一個理論框架來理解實驗數據的局面，轉變成如果物理學家提出的理論比標準模型還新，那么就會超出當時的實驗技術水平而得不到檢驗的局面。在實際運用中以及就理論和經驗的符合角度而言，標準

13、模型可謂名副其實。按照科學哲學研究的慣例，往往選擇成熟理論進行考察，所以粒子物理的標準模型本身就是一個很好的案例。三 基本粒子在當代規范理論的語境下來考察粒子物理標準模型，是想通過回答基本粒子到底是什么的問題，最終為科學實在論辯護。如果基本粒子是些理論實體（entity），那么到底是粒子、場還是弦？如果是些數學結構（結構實在論等結構主義的觀點），那么是些什么樣的表象（representations）?它們跟經驗證據有什么樣的關系？在回答這些問題的基礎上才能為科學實在論進行論證。 1.理論實體的問題 這是一個典型的物理學中的哲學問題，甚至是一個讓物理學家也無可適從的問題。正如因電弱統一理論獲得諾

14、貝爾獎的S.溫伯格（Steven Weinberg）在其三卷本場的量子理論中所講的，物理學家并沒有把握說場和粒子哪個更基本，甚至認為“新的理論可能不是場或粒子的理論，或是很不一樣的東西，比如弦”（2000）。值得一提的是，正如描述引力的廣義相對論是一種不同于楊-Mills理論的規范理論一樣（后者比前者容易量子化），超弦理論也是一種規范理論，只不過是一種不同于場論的新的規范理論。要看清粒子、場和弦（膜）哪個更基本，就要厘清各種量子場理論中的相對論、量子力學、經典量子場論、規范場論、量子引力以及超弦理論之間的關系，尤其是要看各種量子場論中哪一個把相對論和量子力學結合得更好（理論上和實驗上）。比如，

15、如果認為場比粒子更基本，就是認為規范場論已把相對論和量子力學結合得夠好，隨后就要為量子規范場論中的重整化問題辯護，因為如果重整化只是單純計算上的約定，跟規范場論內部沒有邏輯必然性的話，就不能認為場是最基本的。各種量子場理論之間和每一種量子場論內部都有這種問題，比如，真空的本質、內部空間和現實時空之間的關系問題、規范論證、引力是否必須量子化、弦論中的對偶性問題等等。只有在統一的框架下厘清這些問題，才能回答粒子、場以及弦之間的關系問題以及哪個更基本的問題。從理論和實驗綜合起來看，目前量子規范場論及其體現在粒子物理中的標準模型，不僅理論上把相對論和量子力學很好地結合起來，而且實驗上得到了空前的驗證。

16、就相對論的量子力學而言，物質都是以物質場和規范場這兩種方式存在的，在粒子物理的標準模型中，不管是物質場還是規范場都是量子場。對于量子場的實質問題，如前所述，泰勒的量子場論的詮釋和歐陽的量子場論是如何可能的？,分別提出了兩個相競爭的基本實體：場量子(field quanta)和場事件(field events)。引起不少討論，如有人認為場量子還不夠基本，場事件也應當理解為戴維森式事件(Andreas Bartels，1999)。我們認為在標準模型中，理論實體實際上是量子場中的場量子。關于量子場的物理實在性，曹天予曾經把它總結為4：“量子場是一種動力學的整體性基質，它是振蕩的、局域可激發的以及在本

17、質上是量子的。不過，這種基質本身又取決于（或者說在本體論上有賴于）已經存在的背景時空，即具有固定的經典時間幾何學結構的四維閔科夫斯基流形。而且就是這種整體性的、有結構的背景時空決定了各種物理性質。”這就涉及數學結構問題。 2.數學結構的問題 這既是一個數學問題，也是一個哲學問題。當代規范理論有一個統一的數學框架是纖維叢理論，簡單地說纖維叢由一個底流形及其上每一點的纖維組成，如果每根纖維是一個矢量空間就形成一個矢量叢，如果每根纖維是一個群那么就形成群叢，等等。按照纖維叢理論，標準模型中的基本粒子是作為一些數學對象來表示的，在規范場論中又分為物質場、規范場和相互作用場來表示，物質場可以用時空流形上

18、矢量叢的切面表示，規范力場可以用主叢上的聯絡表示，物質場和規范場之間的相互作用可以通過相互作用叢和相應的相互作用粒子叢進行研究。在粒子物理的標準模型中，一個基本粒子只能表示成如此這般的數學結構。比如，一個自由粒子對應于局域時空對稱群的一個不可約表示，而著名的標準模型中的規范群SU(3)×SU(2)×U(1)，其有限維不可約表示決定了基本粒子的多重態。問題在于這些數學結構和物理內容的對應關系如何？這些能通過規范變換相互聯系的數學表象有唯一性嗎？也就是說存在一個數學結構是否超出物理內容的問題。事實上，的確有些規范對稱只具有形式上意義，在自然界中是沒有對應物的，所以規范變換也不是

19、唯一的。也就是說存在一個數學結構是否超出物理內容的問題。按照結構實在論的觀點，表示物質場、規范場及其相應粒子的這些數學結構，主要是些纖維叢截面，并且這些纖維叢截面可以視為一些超出經驗現象的結構。一方面，這些結構可以表示物質粒子，另一方面，它們又不直接是諸如能量、動量和電荷之類的經驗性質，也就是說它們不是直接可觀察的。當然，數學結構和物理內容的對應關系，這個問題還是整個粒子物理標準模型內部的理論問題。就理論跟經驗的關系而言，就會涉及標準模型的經驗證據問題。3.經驗證據的問題 這是一個關系到我們支持實在論還是經驗主義的問題。在理論實體數學結構物理內容經驗數據的關系鏈中，理論實體對應于相應的理論框架

20、，理論框架中的數學結構和物理內容又不完全一一對應，只有物理內容才能用經驗檢驗。如果強調理論實體和數學結構的根本性，就容易支持實在論，如果強調物理內容和經驗證據的優先地位，就容易支持經驗主義。而經驗證據是不可能在科學理論內部得到解決的。所以，基本粒子的經驗證據問題，實際上就是粒子物理標準模型的經驗驗證問題。其實，標準模型跟經驗之間的關系有兩方面，一方面是標準模型中有20個參數，包括9個費米子的質量、3個耦合常數、1個CP角及與之混合的3個角、2個玻色子質量、1個希格斯玻色子質量和1個QCD的角,是無法從規范原理這種一般性原理直接推導出來，只能通過實驗確定,另一方面，如前所述，標準模型所預言的62

21、種基本粒子幾乎全部為實驗所證實(除了引力子因質量太弱沒有觀察到外)，只剩下1個使這些基本粒子產生質量的希格斯玻色子。事實上，希格斯粒子的尋找是LHC建造的最重要動力，LHC上計劃開展的四個主要實驗就有兩個（ATLAS和CMS）是為了探索希格斯機制。比如ATLAS探測器（A Toroidal LHC Apparatus）的直接探測對象主要是光子、輕子和強子，包括對它們的識別以及對它們的能量動量等進行測量，最后通過計算得到希格斯粒子的質量，實現在實驗室中證明其存在。事實上，有了標準模型后，所有的實驗數據都可以得到解釋。在理論實體數學結構物理內容經驗數據的關系鏈中，如果強調理論實體和數學結構的連續性

22、，就容易支持實在論，如果強調物理內容和經驗證據的優先地位，就容易支持經驗主義。但是，粒子物理的標準模型不是在所有的基本粒子發現之后歸納總結出來的經驗模型，相反，許多粒子都是根據標準模型的預言發現的。所以，就理論跟經驗的關系來說，我們認為粒子物理的標準模型這個物理理論優先于其物理經驗，也就是說我們更強調量子場及其數學結構的優先地位，更傾向于結構實在論。四 科學實在論的論證這是一個真正的哲學論證。目前對反實在論最有利的論據要數“本體論不連續性”、“不充分決定論據”，以及這些證據改進之后的新一輪“組合拳”。2006年斯坦福（P.Kyle Stanford）的超出我們的理解力：科學、歷史和沒把握的選擇

23、問題5一書，根據生物遺傳學史的考察，提出一個“沒把握的選擇問題”，認為科學家們總是無法對當時的理論做出有把握的選擇，即使當時這些選擇已經有確定證據，并且這些理論已經進入下一步的科學研究之中。“沒把握的選擇問題”試圖說明科學理論沒有能力理解世界的深層結構，引起科學實在論和反實在論新一輪論戰。就科學實在論來說，目前要做的事情是找到更有力的證據為科學實在論辯護，以便回應反科學實在論的新的反駁證據。在規范理論的語境中考察粒子物理的標準模型，在搞清楚基本粒子到底是什么及其跟經驗證據的關系問題基礎上，通過回應一些著名的反實在論的論題，來很好地論證科學實在論，提出新的科學實在論證據。理論實體問題所講的粒子和

24、場可以構成對本體論不連續性論據的反駁，因為規范場中的場實際上指的是場量子，從粒子到場量子是有一定的本體論上的連續性的。甚至從結構主義出發可以提出一種“指向實在論”（不同于收斂實在論和指稱實在論），因為在一定的語境中，各種理論框架和科學實踐都指向一定的對象，理論實體中粒子和場哪個更基本的問題具有很強的時代性（語境依賴），經典物理中的粒子和場跟量子力學中的粒子和場就有所不同，量子力學中的粒子和場跟量子場論中的又有所不同，各種量子場論中的也有所不同，但是它們都指向同一個研究對象。也正因如此我們認為量子化的場（場量子）比“粒子”更基本。 搞清楚基本粒子物理標準模型中的數學結構和物理內容跟經驗證據之間的

25、關系，是足以回應不充分決定論據的，雖然在某些科學領域，經驗證據看上去不能決定唯一理論模型，但是在粒子物理的標準模型這種理論中，這些理論模型在結構上具有很好的一致性。而且，通過把理論實體、數學結構、物理內容和經驗證據結合起來發展結構實在論，以回擊反實在論“沒把握的選擇問題”這種新的“組合拳”。一方面，從科學史來看，粒子物理的標準模型不僅不是從經驗事實歸納總結出來的，而且許多基本粒子及其性質都是由同一個標準模型所預測的，甚至每種基本粒子的經驗性質都由同樣的數學結構來描述，也就是說，不僅不是同一個經驗事實對應著多個理論模型，而且是多個經驗事實對應著同一個理論模型，這就直接反擊了不充分決定論據。另一方

26、面，如前所述，就粒子物理的標準模型這一具體理論而言，物理學家們花費巨資建造大型強子對撞機LHC, 這一事實本身說明，科學家們在很大程度上是選擇了粒子物理的標準模型，而且是在無數次實驗中實際選擇了標準模型。當然，在多大程度上進行“有把握地”選擇，還有待深入研究。另外，規范場論比之前的經典量子場論和之后的弦論有更多的經驗證據，這一點更有利于發展“最佳說明推論”和“樂觀的元歸納證據”。各種粒子和相互作用都優美地滿足同樣的理論模型，這不可能僅僅是一種“奇跡”，有利于“奇跡論證”。諸如此類，可以說粒子物理的標準模型是檢驗科學實在論和反實在論的試金石。結 語當代規范理論語境中的科學實在論問題研究，敢于直面基本粒子到底是否存在這個科學實在論和反實在論爭論的焦點，通過對粒子物理標準模型的考察，為曠日持久的科學實在論和反實在論之爭，提供了一個不能回避的案例，并且是一個具有普適性的很好例證，有利于對科學實在論進行系統的直接論證。把各種量子場論（包括弦論）看做是相對論和量子力學的各種結合，用科學的形而上學方法，把各種量子場論中的理論實體納入統一的框架來考察。通過