黑洞唯物主义

Christopher Neil Gamble University of Washington

Thomas Nail University of Denver

摘要：长期以来，欧洲-西方传统一直认为物质本质上是非关系的、被动的和机械的。也就是说，物质被认为是由基本粒子组成的，这些基本粒子在同样不变或固定的空间、时间或两者的背景下运动时，其内部保持不变。因此，物质的行为被视为服从——完全地或概率地——预先存在且不变的自然规律。

在本文中，我们首先简要回顾了西方唯物主义的三大传统，以说明这一基本图景如何一直保持到现在，而且非常稳定。然后，我们认为，最近关于黑洞的物理学研究和量子引力理论为我们提供了一个前所未有的机会，通过将物质理解为内在的关系性、不确定性和发生性，彻底改变我们对物质的理解。我们这样做的目的是要表明，黑洞物理学对唯物主义者的历史、哲学和科学具有巨大的跨学科影响。

I.唯物主义的历史

经典力学。欧洲-西方的第一个主要唯物主义传统是希腊原子论。众所周知，留基博（Leucippus）、德谟克利特和伊壁鸠鲁都认为，万物——从最大的恒星到最小的昆虫或尘埃——都是由微小、离散、不可分割的"原子"碰撞、合成和分解形成的。原子是永恒不变的，它们唯一不同的属性就是形状和大小各异，这使它们能够结合成无数的组合，从而形成可感知世界的全部范围和多样性。在留基博和德谟克利特看来，这些基本粒子只沿着独特的预定轨迹运动，而在伊壁鸠鲁看来，它们偶尔会自发地转向其他轨迹。然而，在发现现实具有根本上封闭、永恒不变的性质的同时，这两种说法对物质及其与虚空或空间的关系都保持了相同的机械论概念。

对于原子来说，这种不变性造成了一种深刻的讽刺。表面上看，这些组成元素产生了所有可感知的现实。然而，所有可能的原子化合物——以及可感知物体——都先于任何化合物的实现而存在，因此就像原子自身预设的形状和大小一样，永恒不变。例如，某些组合的结果必然是铅，而另一些组合的结果则必然是铁。因此，无论原子是否有能力改变，它们对自身产物的特性都不具有创造性。相反，它们本质上仍然是非生成性、非关系性的容器，仅仅通过被动地实现预先存在的可能性来进行"创造"。

原子论者所谓的"虚空"的不变（非）性质也有类似的情况。虚空是一种无限的背景空无，或多或少地存在于（或作为）原子之间的空间，它实际上也在构成感性世界的过程中扮演着不可或缺的角色。例如，德谟克利特在解释铅的密度比铁大时，认为前者的原子更紧密地结合在一起，因此它们之间的空隙比后者的原子少。正如这个例子所说明的，两种金属都可靠地具有各自的决定性特性，但条件是空隙（a）自身没有任何积极的特性（可能与原子产生不同的相互作用）（b）完全不受原子在其中或通过其发生的运动和组合的影响。

综上所述，原子论者把现实描述为一个封闭或有界的系统，它的产生可以用特定原因必然且绝对造成的特定结果来详尽解释。在这样做的同时，他们还把自己定位为这个封闭系统的外部客观观察者，而这个系统在他们的观察下保持不变。从这个角度出发，他们可以推导并发现不变的、预先存在的规律，这些规律将向他们揭示现实的内在因果本质。

简而言之，原子论者对现实的唯物主义解释包含了一种机械论概念，即物质本质上是非生成和非相关的，一种依赖于背景的空间概念，以及两者的不变性。这种唯物主义观点的重要性无论如何强调都不为过，尤其是对科学史和科学实践而言。然而，正如我们将看到的那样，随着主流宇宙学的变化，这种物质概念显得越来越过时。

统计力学。第二个主要的唯物主义传统出现于19世纪。现代主义的描述把物质当作是随机运动的，主要依靠概率论和统计学来预测。然而，物质看似随机，实际上只是由于实验的局限性。基本粒子（分子、原子、基因、同位素等）太小、太多，人类根本无法同时观察到。因此，对于拉普拉斯、玻尔兹曼等人来说，物质仍然像原子论者所认为的那样是完全确定的（尽管没有任何伊壁鸠鲁式的自发性）。此外，现代唯物主义采用了牛顿关于空洞的绝对空间和普遍时间的固定背景的概念，继续认为物质最终是非相关的、被动的和服从不变的自然规律的。

量子力学。第三大唯物主义是量子力学。在尼尔斯-玻尔、埃尔温-薛定谔和沃纳-海森堡的最初表述中，量子力学放弃了对物质的确定性理解，而认为物质本质上是概率性的，这令爱因斯坦大失所望。由于人们所理解的"测量问题"，在认识或预测物质的精确度上存在着根本性的限制。正如海森堡在他著名的不确定性原理中所阐述的那样，同时精确地知道一个粒子的位置和动量是有内在限制的。超过这个极限，决定论就会溶解为概率分布。

此外，正如量子场论后来发展的那样，粒子不再在一个空的或光滑的表面上运动，而是被理解为场的激发，这些场像剧烈的波浪一样随着所谓"虚粒子"的真空波动而不断抖动。虽然这些真空波动太小，无法直接或单独观察到，但它们共同对粒子产生的影响却是可以通过经验测量到的。

这种说法无疑为物质的行为描绘了一幅比以前更生动、更有活力的图景。然而，量子场论中粒子场的真空波动只发生在预先存在的固定背景时空中。换句话说，量子场论只有在忽略引力场的情况下才能起作用。此外，如果测量问题被理解为纯粹认识论上的极限，那么尽管存在持续的真空抖动，物质仍然被视为无法为自身产生任何新轨迹。换句话说，可能轨迹的总集合与原子论者的观点一样，仍然是永恒不变的。因此，物质本质上仍然是一种被动的、非关系性的物质，被限制在固定的数学和认识论概率范围内。

尽管存在差异，但所有这三种主要的唯物主义都将物质视为本质上被动的，并将空间和时间视为固定的背景给定。

II.环（圈）量子引力（Loop Quantum Gravity）

由于忽略了时空，量子理论实际上将引力留给了广义相对论的宏观领域。将量子理论与广义相对论统一在一个框架中的努力被称为量子引力理论，许多人认为它是当代物理学的圣杯，尚未得到实验证实。

量子引力理论首先将量子形式一直扩展到普朗克常数的最低量化极限。在这一尺度上，没有依赖于背景的时空框架或引力框架来测量粒子。在这个尺度上，时空几何是以普朗克长度（1.6×10-35次方米）来衡量的。因此，在量子引力理论中，普朗克长度是所有可测量现实的自然分界线，也是应用量子理论中相同的基于概率的数学框架的基本参考点，但现在则应用于作为量子引力场的时空本身的行为。这一举动对唯物主义理论和历史的根本性影响在于，它最终将物质从固定背景时空的形而上学牢笼中释放出来。

然而，将广义相对论与量子力学结合起来的问题在于，它告诉我们，如果我们可以物理地测量一直到普朗克尺度的时空，那么这样做所需要的能量将非常高，以至于实际上会产生一个微型黑洞。在普朗克尺度上，有人推测时空本身会溶解成一片"虚拟"黑洞的海洋，它们像一种"时空泡沫"一样疯狂地进出（虚拟）存在。作为时空的最小波动，这些微型黑洞戏剧性地体现了普朗克极限，即"现实"与"非现实"或"存在"与"虚无"之间的本体论不确定区域。重要的是，虽然虚拟黑洞与量子场论中的虚粒子一样具有本体论上的不确定性，但两者的关键区别在于，后者是真空在（光滑的背景）时空中的波动，而前者则是时空本身的波动，从而使现实表面上最基础的层面也具有内在的不确定性。

两大主流量子引力理论——环量子引力和弦理论——都在时空的极限（即黑洞）处寻找时空的新兴结构。尽管这两种理论都做出了重要贡献，但我们的论点是，这两种理论最终都忽略了黑洞的不确定性，从而保留了关于物质的某些机械假设。

例如，环量子引力植根于卡洛-罗韦利（Carlo Rovelli）对量子力学的深层关系论述，其中所有实体都只通过特定的相互作用（或"观测"）表现出来，而这些相互作用可能涉及人类，也可能不涉及人类。罗韦利认为，在普朗克尺度以下，根本"什么都没有"，因此，时空从根本上说是由离散的"原子"或"颗粒"组成的，其可能的大小具有离散的普朗克单位。尽管包括时空在内的万事万物都是通过关系表现出来的，但对罗韦利来说，这些表现仍然服从于预定的、不变的概率分布，而这些概率分布最终都植根于（基于普朗克的）可能性——这些可能性是无数的。问题在于，罗韦利把普朗克尺度当成了一个绝对的、预先存在的、人类简单发现的不变数学形式主义的基础，而不是像我们认为的那样，是一个生成性的、实验性不确定性的活跃区域。在我们看来，更合理的解释是，根本不存在这样一个非关系性的极限，它并不总是由（人类或非人类的）观察行为共同构成的。从某种意义上说，罗韦利试图在普朗克尺度上掩盖测量问题，以挽救对物质行为的数学解释。然而，在这样做的过程中，他必须抹杀物质固有的量子不确定性，即事先将物质限制在只有普朗克尺度空间变化的可能性范围内。

鉴于普朗克尺度在流行的数学和物理学中的关键作用，它当然似乎标志着科学家目前能够测量和观察到的现实的形式下限。然而，形式极限并不等同于实验或经验极限。正如罗韦利自己欣然承认的那样，环量子引力目前的理论与物理观测并不完全一致，因此，"还缺少一些东西"。但是，我们并不想简单地继续寻求一种更加精确或全面的方法，通过量化来解释这种"缺失"，而是想提出一种不同的对策。相反，我们建议，我们也应该接受这个"某物"，将其视为物质固有的本体论不确定性和创造性的一个物理上微小而又戏剧性的生动实例。

现在让我们看看弦理论在黑洞唯物主义问题上的表现。

III.弦理论

继霍金令人震惊地发现黑洞辐射能量之后，他又提出了更令人震惊的说法：黑洞吞噬并毁灭信息。由于毁灭信息将直接违反信息守恒定律，霍金的说法被称为"黑洞信息悖论"，促使无数人试图解决这个问题。

1993年，弦理论学家列奥纳德-苏斯金德（Leonard Susskind）提出了"黑洞互补性"（black hole complementarity）理论，为解决这一问题做出了杰出贡献。苏斯金德回到量子力学的基本原理，他认为，根据观测视角的不同，有两种相互排斥的解释实际上同样适用于流向黑洞的信息。具体来说，如果我们看到有人掉进黑洞，我们会看到他们在黑洞的视界处减速并伸展，最终变成辐射；而掉进黑洞的人会穿过视界而没有发现任何异常，直到很晚才被摧毁。

黑洞互补性最终导致了"全像原理"（holographic principle），这是弦理论提出的解决信息悖论的方法，如今已极具影响力。全息图本质上是光与存储在二维胶片上的信息相互作用产生的三维投影。同样，全像原理本质上认为，黑洞投射出自身信息的三维全息图，这些信息存储在黑洞视界的二维表面区域。此外，全息图投射到哪个方向——水平面外侧还是内侧——仅仅取决于观察者的位置，而观察者则是重建信息的光源。

虽然全像原理巧妙地解决了信息悖论和测量问题，但它所依据的数学原理也只是通过括去（bracketing out）或抹去现实中明显的不确定性（如信息的位置）而起作用的。然而，我们看不到这种"剔除"的经验基础，只看到它通过不加批判地坚持西方古老的"物质内在被动性"假设，实现了形式化的数学预测。我们认为，黑洞互补理论可以帮助我们理解和肯定物质内在的生成不确定性，而不是事先假定宇宙是由固定和有限的信息总量组成的，所有这些信息也必须有确定的物质位置。

因此，相比之下，我们认为更有说服力和更合理的观点是测量问题根本无法克服：不确定性和互补性本身就是根本性的。如果测量普朗克时空会产生微黑洞，这就意味着测量不仅是黑洞与时空之间的身份和关系的组成部分，也是普朗克极限的组成部分。此外，正如罗韦利等人所言，量子测量适用于所有相互作用，无论是否涉及人类。因此，与弦理论和环量子引力相反，我们认为普朗克极限（及其可能的微黑洞之海）并没有揭示出现实的一个预先存在的极限，而是让我们面对物质的根本不确定性、关系性和生成性。

IV.黑洞（新）唯物主义

这一阐述的一个关键含义是，物质现实不可能有任何绝对的、预先存在的限制，而我们对它的观察会保持不变或不受影响。量子场论的真空波动概念是重新思考"虚空"的一种方法，它是一个生动活泼、富有创造力的地方。我们尤其受到物理学家卡伦-巴拉德（Karen Barad）新唯物主义观点的启发，她认为这些量子波动生动地展现了物质固有的、创造性的本体论不确定性。此外，正如她明确指出的那样，她的论点“并不局限于小领域。恰恰相反，不确定性的游戏在本体论上先于尺度概念，更广义地说，先于空间和时间概念"。

我们同意巴拉德的论点，即物质的不确定性先于现实的所有尺度，因而也渗透于所有尺度。然而，虽然巴拉德已经结合量子力学和量子场论发展并讨论了这一解释，但据我们所知，她还没有在量子引力层面或结合黑洞直接对不确定性进行理论化。

要非常明确的是，我们当然不想否认或以任何方式贬低西方数学和科学在解释和预测物质行为方面所取得的令人印象极为深刻的成就。然而，正如每一位严谨的科学家都会欣然承认的那样，我们还无法完全解释和预测物质的行为，事实上也永远无法完全解释和预测物质的行为。因此，根据我们对黑洞不确定性的讨论，我们希望提出一种不同的方式来理解我们知识的局限性。我们不想继续把它仅仅看作是我们目前对固有的非生成物质的认识的局限性，而是想指出，我们有经验上令人信服的理由，也有伦理上和存在论政治上紧迫的理由，来对物质的不确定性性质有一个非常不同的理解。

在我们看来，即使是拥有无限知识的全知全能者也无法详尽地量化物质，因为物质本质上是不确定的、生成的和相关的。此外，由于我们人类和其他任何事物一样都是完全的物质，人类对物质的任何观察行为——甚至包括表面上"形式化"的观察——也必须在构成物质方面发挥作用。因此，认为物质可以被限定为一个封闭的或有边界的系统，它有固定的可能性范围，服从不变的规律，在我们看来，这等同于一种危险的妄想，其根源在于人类的自大或恐惧。鉴于我们表面上有能力独立于机械物质之外，并学会如何对其施加越来越大程度的控制，这种观点很可能有助于维持我们是宇宙异类的想法。然而，面对迅速升级的全球生态危机，我们似乎有充分的理由——而且是紧迫的理由——重新思考这种观点。

V.发生唯物主义

我们的立场是，黑洞为一种全新的唯物主义理论提供了历史基础，在这种理论中，物质不再是被动的、消极的，甚至不再是简单的概率论。这种新的表演式或"布朗运动式"（pedetic）唯物主义有三个核心特征，我们认为它们对整个科学和人文学科都有重要影响。对这些特征的详细阐述需要一篇更长的论文，所以我们想在这里简单地将它们标记为新黑洞唯物主义的开始。

1.如果虚拟微黑洞是所有物质、时空和量子波动的原始创造力的指标，那么从普朗克尺度到宏观层面的所有物质也必须由布朗运动式或生成的不确定性来定义。这意味着，自然规律，包括普朗克极限和概率，都是更初级的不确定过程的产物，会随着时间的推移而反复变化和修正。

2.物质不是在时空中运动的连续或离散物质，它产生时空。黑洞既不是被动的物质，也不是空洞，而是主动的过程：宇宙的转化变异体。如果我们在不考虑测量问题和不确定性的情况下考虑关于黑洞的已知知识，那么它指向的解释是：物质是一个无休止波动的创造过程，它比时空或普朗克尺度更基本——它们必须是这些量子过程的突现特征，而不是支配它们的背景定律。在黑洞的底部，我们并没有发现广义相对论所预言的无限小的奇点，而是不确定地运动着的能量——没有任何更基本的解释。

3.黑洞的不确定性指向一种解释，在这种解释中，物质以关系和内在的方式表现自身。物质并不是外在事物的被动或随机影响。

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