罗栋:当代引力理论中的特设性假说问题

The Problem of Ad Hoc Hypothesis in Contemporary Gravity Theories

 

  作者简介:罗栋(1986- ),湖北仙桃人,哲学博士,华南理工大学哲学与科技高等研究所博士后,讲师,主要研究方向:科学哲学、物理学哲学与物理学史、化学哲学。广州 510641

  原发信息:《自然辩证法研究》第201810期

  内容提要:为应对广义相对论在理论和经验上面临的困难,有些物理学家选择对广义相对论进行修正,提出了一系列替代引力理论;有些物理学家则选择通过引入暗物质、暗能量和暴涨等暗因子来保留广义相对论。不同引力理论的支持者彼此攻击其竞争理论中引入了特设性假说。特设性假说问题在当代引力理论中展现出了新情况。替代引力理论中的修正牛顿引力理论不能被简单地视为引入了特设性假说。暗因子假说在奎因和尤刺安,以及勒普林所给出的特设性假说判定标准下,不能被视为是特设性的;但在波普尔的特设性假说标准下,如果相关暗因子得不到经验证实的话,暗因子假说将会是特设性的。

  In response to the empirical and theoretical problems of General Relativity(GR),some physicists choose to modify GR and propose various modified gravity,while others choose to propose dark factors,including dark matter,dark energy,and inflation,without modifying GR.Supporters of different gravity theories are against rival theories for introducing ad hoc hypotheses.The problem of ad hoe hypothesis exhibits new features in contemporary gravity theories.The modified gravity,Modified Newtonian Gravity,cannot be said to have introduced ad hoe hypothesis.However,according to Quine &Ullian’s and Leplin’s criteria for ad hocness,dark factor hypothesis is not ad hoe,but it is ad hoe according to Popper’ criterion ff empirical supports for the dark factors cannot be found.

  关键词:广义相对论/修正引力理论/特设性假说/General Relativity/modified gravity/ad hoc hypothesis

  标题注释:教育部人文社会科学研究青年基金项目(17YJC720018),中国博士后科学基金会面上项目(2017M622706)。

 

  爱因斯坦的广义相对论在解释新的宇宙学观测以及实现引力量子化或建立统一场论上面临着经验上和理论上的双重困难。有些物理学家选择在广义相对论的理论框架下引入多种暗因子(包括暗物质、暗能量和暴涨)假说[1]以应对广义相对论在解释宇宙学观测上所面临的困难,并尝试展开相关探测(如“悟空”)。另外一些物理学家则提出了数量众多的替代(alternative)引力理论以应对广义相对论在经验上或理论上面临的困难。不同引力理论的支持者彼此激烈地攻击其竞争理论中引入了特设性假说。相关争论直接关涉到对不同引力理论的评判。科学哲学中的特设性假说问题已有研究尚未关注到引力理论中的特设性假说争论。当代引力理论中的特设性假说问题有何特点?特设性假说问题的传统哲学研究是否能为当代引力理论中的特设性假说评判提供依据?本文对此展开研究。

  一、当代引力理论简述

  一个好的引力理论被认为应该至少满足两类基本要求。一方面应符合广义相对性原理、等效原理、广义协变性以及因果性原理等基本原理,另一方面应能解释与引力相关的经验观测(包括天体运行轨道,天体结构,宇宙大尺度结构的生成等)。

  作为符合以上基本要求的主要引力理论,爱因斯坦的广义相对论假定,引力相互作用是四维时空的几何结构的表现。时空的几何结构由时空流形上的时空度规(metric)场 描述。度规场则由时空中的动量能量分布决定。在广义相对论中,以上关系由爱因斯坦方程 所描述。方程等号左边的 描述的是时空的几何结构,由时空度规 决定;等号右边的 描述的是时空中的动量能量分布;κ为常量。

  广义相对论并非符合引力理论基本要求的唯一理论,而只是众多可能理论中形式最为简单的一个[2]。正因此,自广义相对论诞生始,包括爱因斯坦在内的众多物理学家便尝试提出其替代理论。

  对于广义相对论替代理论的早期研究主要源自其所面临的理论问题,旨在将引力相互作用与电磁相互作用这两种当时已知的基本相互作用统一起来,从而将广义相对论纳入一个更为一般的统一场论之中。典型的例子包括外尔(Hermann Weyl)理论,爱丁顿(Arthur Eddington)理论以及卡鲁扎-克莱因理论(Kaluza-Klein Theory)等。这些理论对于广义相对论进行修正的基本思路是改变广义相对论关于时空的基本假设,进而修改爱因斯坦方程等号左边的物理量。比如,外尔理论在广义相对论的时空度规之上引入额外的规范因子,卡鲁扎-克莱因理论在广义相对论的四维时空的基础上引入一个额外的空间维度等[1]。20世纪70年代和80年代,引力量子化等理论问题进一步促进了替代引力理论的提出,产生了圈量子引力理论(loop gravity)、各种超引力和超弦理论等。

  随着宇宙学观测的积累,人们逐渐观测到一些基于广义相对论的宇宙学模型所无法解释的经验“异常”。i)20世纪70年代对于螺旋星系的观测显示,星系外侧的旋转速度并没有像广义相对论所预测的那般减小。为了解释经验异常,物理学家们提出了暗物质假说。ii)1998年,哈勃太空望远镜对遥远星系的观察表明,在很久以前,宇宙的膨胀速度要比现今的膨胀速度要慢,即宇宙的膨胀在加速。这一观测与理论预测的宇宙中物质间的引力相互作用会使宇宙膨胀变慢相冲突。为解释这一经验异常,部分物理学家提出了暗能量假说。iii)基于广义相对论的宇宙学标准模型对于宇宙年龄的理论预测要比实际宇宙学观测中观测到古老星系的年龄要小。为了解释这一经验异常,有些物理学提出,宇宙在大爆炸早期经历了一个快速膨胀的阶段,即所谓的“暴涨”。

  为应对以上经验异常而引入的暗物质、暗能量和暴涨假说均是在爱因斯坦方程等号右边的能量—动量张量中加入暗因子,而不改变广义相对论本身[3]。除了可能存在的暗因子导致了宇宙学观测与理论预测的不符,还有一种可能的解释是,广义相对论本身是错的,因而给出了错误的理论预测。正因此,部分物理学家选择对广义相对论做出修正,沿着早期的修正引力理论研究,进一步发展修正引力理论,提出了比如修正牛顿引力理论等,以作为暗因子假说的替代方案。

转载来源:中国社会科学网

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