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霍金的新书再一次受到公众和媒体的热烈追捧,很多媒体关注的重点是说霍金在这本书里排除了上帝存在的可能性,但其实这本书说的是比上帝存不存在更重要的事——为什么会有这么一个恰好适合人类生存的宇宙。
明星物理学家霍金的新书《大设计》(The Grand Design)主要探讨的问题是:为什么会有这么一个恰好适合人类的宇宙存在?
这大概是人类所能提出的最大问题了。宇宙为什么存在?它非常精妙地符合人类需求,那么它是被“设计”出来的么?很多人认为物理学家跟哲学家或宗教人士一样,追问这些问题是为了获得“内心的平安”,但物理学家的方式跟他们不一样。
虔诚牧师的逻辑
我曾经在一次聚会上跟一位非常虔诚的牧师聊天,他无论走到哪儿都带着一个破旧的随身听,里面是《圣经》的录音带。我问他怎么可能相信地球是在6000多年前被上帝创造的呢?有充分的证据表明地球上很多东西的年龄超过lOO万年,这位牧师的回答让我目瞪口呆:上帝创造万物的时候可以创造备种年龄的万物。这真是一个完美的理论,我无法从逻辑上质疑它的正确性,这位牧师靠这个理论获得了内心的平安。可见获得内心的平安是容易的事情,如果你相信上帝无所不能,上帝安排了一切,你就可以解释任何现象,获得了内心的平安。
但物理学家有比“内心的平安”更高的要求。我对这个牧师说,我的理论不但能解释各种化石的年龄,还能对尚未发现的化石做出预言,你的理论能做到么?
物理学家的信念
判断一个物理理论的好坏不在于它是否符合人的直觉,是否漂亮,而在于它能否做出预言。与宗教人士或哲学家不同的是,物理学家从不执着于任何一个理论,堪称是最彻底的革命者。但物理学家也有一个可以称作“信念”的东西,那就是世界应该是合“理”的——物理定律应该适用于所有时间、所有地点,所有事件都必须精确地符合描写物理定律的数学方程。
正是这个信念使得物理学家可以做出正确的预言。如果一个侦探发现1月1日、2月1目、3月1日都有人被用同样的方法杀死,他就会推论:罪犯在每月1目杀人,这不但能解释过去的三起杀人案,而且能做出4月1日会有人被杀的预言。物理学家的思路类似,只不过对他们来说,4月1日必须有人被杀—不允许物理定律像犯罪一样有被停止的可能,否则它就是错的。
过去,电磁相互作用和弱相互作用被认为是两种不同的力,而萨拉姆和温伯格在1967年用一个统一的理论把这两种力统一了起来。这个理论不但能解释已知的现象,还预言了在这个框架内必须存在的三个新粒子,后来它们果然被试验发现了。反过来,有人试图把强相互作用也给统一进去,结果得到了几个所谓“大统一理论”(Grand United Theory,GUT),这些GUT都预言质子会衰变,然而一直没有得到实验证明,所以GUT理论就算再精妙也不能被接受。
牛顿心中的上帝
既然所有事件都符合物理定律,上帝还有什么用呢?如果上帝不能干预物理过程(比如说制造奇迹),他存不存在还有什么意义呢?牛顿就提出了一种意义。
牛顿在解出行星轨道方程之后发现引力会对这些轨道做出扰动,而这种扰动一旦累积起来就会导致轨道的不稳定,使得行星或者坠入太阳,或者脱离太阳系。据此,牛顿认为上帝必须存在,只有上帝才能时不时地对地球轨道进行微调,确保稳定,要不是拉普拉斯后来证明这种轨道扰动是周期性的不可积累,物理学家大概也只好接受上帝的存在。
牛顿认为上帝必须存在的另一个理由则是—地球在太阳系的位置实在是太完美了,方程表明一个行星的轨道一般是椭圆形,哪怕“椭”得不是很厉害,其近日点和远日点的温度也差异很大,但是地球的轨道几乎就是圆的!四季的温差几乎完全来自自转和公转的倾角,而与距离太阳远近无关。地球的另一个幸运之处在于。我们与太阳的距离与其质量正好合适,哪怕太阳质量有20%的变化,地球也将因为过冷或者过热而不适合生存。考虑到这些巧合,牛顿认为这一定是上帝的安排,要不是后来发现宇宙中有太多的行星系统,其中有一个适合生命也算不上意外,物理学家大概也只好相信这个巧合是安排的。
现代物理依然被困扰
至今,类似于牛顿遇到的问题仍然在困扰现代物理学家,这些问题表现出来的特征就是我们这个宇宙实在太幸运了,差一点都不行!
第一个问题是宇宙起源的初始条件。天文观测和经典理论都表明宇宙起源于大爆炸,对宇宙微波背景辐射非均匀性的发现证实了暴涨理论,然而要想实现足以形成宇宙的暴涨,其初始条件必须满足无比严格的要求,就像要做一个炸弹,必须是一个绝对精确的球形它才能炸开,除了上帝谁还能做到?
第二个问题是各种物理参数为何如此恰到好处。计算表明如果把强相互作用的强度改变0.5%,或把电磁相互作用的强度改变4%,碳和氧这两个对生命至关重要的元素就不会出现;哪怕把质子的质量增加0.2%,它就会迅速衰变从而不会有任何化学现象。此外,空间还必须是三维的,否则行星轨道就不会稳定。现代物理学无法从逻辑上解释为什么这些物理参数是这样的,好比一个网络游戏玩家不能用物理定律解释某些超强boss的武力值一样,唯一的解释是有八将它们“设计”成这样的,否则这个宇宙或者游戏就不好玩。
给出“无需神创”的解释
霍金在其新书里,便给出了一个不需要设计者的解释。他首先用所谓“无边界条件”来取消了“宇宙创生之前发生了什么”这个问题。这个条件说在早期宇宙的极端条件下,时间维被扭曲得好像一个空间维,也就是说那时有四维空间而没有时间,也就不存在“之前”的问题了。进一步,早期宇宙处于量子态,而它的历史则是所有满足“无边界条件”的历史叠加的结果。一个量子的宇宙可以自发地诞生。
正如量子力学中的一个粒子可以有多种不同的状态,创世之后也可以产生多种不同类型的宇宙状态。每一个可能的宇宙中都有自己的一套物理定律和物理常数,我们只不过恰好生活在其中一个允许星系和人类出现的宇宙中而已。这就好比说既然有无数多的行星系统存在,恰好有一个适合人类生存的地球并不奇怪。
霍金在书里使用物理学的一些最新进展,比如M理论,和他本人在量子引力方面的研究成果作为论据,对这些大问题给了一个说得过去的答案。然而在专业的物理学家看来,这个论证很不严谨,书中用到的很多物理理论,比如说超引力,在数学上并不严格,更不用说M理论还远远没有得到实验证实。霍金几乎是等于宣称物理学家一直追求的“统一理论”已经成型,大问题的答案已经有了,可是很多物理学家不会同意他的看法。
霍金为何选择M理论
不过霍金也解释了为什么M理论是最佳选择。首先,如果你的宇宙是一个连续系统,它的物理定律不随时间改变,那么其中必定能量守恒。其次,这个守恒的总能量必须等于0,这是因为如果能量大于零,宇宙就无法被凭空创造出来,而如果能量小于零,它就可以在真空中的任何地方出现。更进一步,既然宇宙的总能量为零,而在其中制造星球需要正的能量,那么它就必须包含引力,因为引力提供负能量。最后,这个引力必须用超引力理论来描述才能消除无穷大项,而M理论正是超引力的最一般理论。
霍金甚至提出了这套理论的一个预言:如果宇宙真是这样诞生的,那么在微波背景辐射中应该能观测到某种精微的特征,这种特征目前的观测手段还看不到,但将来或许可以看到。
物理定律必须处处管用,以至于让上帝也无事可做;而一个好的物理理论不但能解释已知的现象,还能对未知的现象作出预言,这就是物理学的两个逻辑。霍金的学说显然符合第一个逻辑,只是不知道能不能符合第二个。
明星物理学家霍金的新书《大设计》(The Grand Design)主要探讨的问题是:为什么会有这么一个恰好适合人类的宇宙存在?
这大概是人类所能提出的最大问题了。宇宙为什么存在?它非常精妙地符合人类需求,那么它是被“设计”出来的么?很多人认为物理学家跟哲学家或宗教人士一样,追问这些问题是为了获得“内心的平安”,但物理学家的方式跟他们不一样。
虔诚牧师的逻辑
我曾经在一次聚会上跟一位非常虔诚的牧师聊天,他无论走到哪儿都带着一个破旧的随身听,里面是《圣经》的录音带。我问他怎么可能相信地球是在6000多年前被上帝创造的呢?有充分的证据表明地球上很多东西的年龄超过lOO万年,这位牧师的回答让我目瞪口呆:上帝创造万物的时候可以创造备种年龄的万物。这真是一个完美的理论,我无法从逻辑上质疑它的正确性,这位牧师靠这个理论获得了内心的平安。可见获得内心的平安是容易的事情,如果你相信上帝无所不能,上帝安排了一切,你就可以解释任何现象,获得了内心的平安。
但物理学家有比“内心的平安”更高的要求。我对这个牧师说,我的理论不但能解释各种化石的年龄,还能对尚未发现的化石做出预言,你的理论能做到么?
物理学家的信念
判断一个物理理论的好坏不在于它是否符合人的直觉,是否漂亮,而在于它能否做出预言。与宗教人士或哲学家不同的是,物理学家从不执着于任何一个理论,堪称是最彻底的革命者。但物理学家也有一个可以称作“信念”的东西,那就是世界应该是合“理”的——物理定律应该适用于所有时间、所有地点,所有事件都必须精确地符合描写物理定律的数学方程。
正是这个信念使得物理学家可以做出正确的预言。如果一个侦探发现1月1日、2月1目、3月1日都有人被用同样的方法杀死,他就会推论:罪犯在每月1目杀人,这不但能解释过去的三起杀人案,而且能做出4月1日会有人被杀的预言。物理学家的思路类似,只不过对他们来说,4月1日必须有人被杀—不允许物理定律像犯罪一样有被停止的可能,否则它就是错的。
过去,电磁相互作用和弱相互作用被认为是两种不同的力,而萨拉姆和温伯格在1967年用一个统一的理论把这两种力统一了起来。这个理论不但能解释已知的现象,还预言了在这个框架内必须存在的三个新粒子,后来它们果然被试验发现了。反过来,有人试图把强相互作用也给统一进去,结果得到了几个所谓“大统一理论”(Grand United Theory,GUT),这些GUT都预言质子会衰变,然而一直没有得到实验证明,所以GUT理论就算再精妙也不能被接受。
牛顿心中的上帝
既然所有事件都符合物理定律,上帝还有什么用呢?如果上帝不能干预物理过程(比如说制造奇迹),他存不存在还有什么意义呢?牛顿就提出了一种意义。
牛顿在解出行星轨道方程之后发现引力会对这些轨道做出扰动,而这种扰动一旦累积起来就会导致轨道的不稳定,使得行星或者坠入太阳,或者脱离太阳系。据此,牛顿认为上帝必须存在,只有上帝才能时不时地对地球轨道进行微调,确保稳定,要不是拉普拉斯后来证明这种轨道扰动是周期性的不可积累,物理学家大概也只好接受上帝的存在。
牛顿认为上帝必须存在的另一个理由则是—地球在太阳系的位置实在是太完美了,方程表明一个行星的轨道一般是椭圆形,哪怕“椭”得不是很厉害,其近日点和远日点的温度也差异很大,但是地球的轨道几乎就是圆的!四季的温差几乎完全来自自转和公转的倾角,而与距离太阳远近无关。地球的另一个幸运之处在于。我们与太阳的距离与其质量正好合适,哪怕太阳质量有20%的变化,地球也将因为过冷或者过热而不适合生存。考虑到这些巧合,牛顿认为这一定是上帝的安排,要不是后来发现宇宙中有太多的行星系统,其中有一个适合生命也算不上意外,物理学家大概也只好相信这个巧合是安排的。
现代物理依然被困扰
至今,类似于牛顿遇到的问题仍然在困扰现代物理学家,这些问题表现出来的特征就是我们这个宇宙实在太幸运了,差一点都不行!
第一个问题是宇宙起源的初始条件。天文观测和经典理论都表明宇宙起源于大爆炸,对宇宙微波背景辐射非均匀性的发现证实了暴涨理论,然而要想实现足以形成宇宙的暴涨,其初始条件必须满足无比严格的要求,就像要做一个炸弹,必须是一个绝对精确的球形它才能炸开,除了上帝谁还能做到?
第二个问题是各种物理参数为何如此恰到好处。计算表明如果把强相互作用的强度改变0.5%,或把电磁相互作用的强度改变4%,碳和氧这两个对生命至关重要的元素就不会出现;哪怕把质子的质量增加0.2%,它就会迅速衰变从而不会有任何化学现象。此外,空间还必须是三维的,否则行星轨道就不会稳定。现代物理学无法从逻辑上解释为什么这些物理参数是这样的,好比一个网络游戏玩家不能用物理定律解释某些超强boss的武力值一样,唯一的解释是有八将它们“设计”成这样的,否则这个宇宙或者游戏就不好玩。
给出“无需神创”的解释
霍金在其新书里,便给出了一个不需要设计者的解释。他首先用所谓“无边界条件”来取消了“宇宙创生之前发生了什么”这个问题。这个条件说在早期宇宙的极端条件下,时间维被扭曲得好像一个空间维,也就是说那时有四维空间而没有时间,也就不存在“之前”的问题了。进一步,早期宇宙处于量子态,而它的历史则是所有满足“无边界条件”的历史叠加的结果。一个量子的宇宙可以自发地诞生。
正如量子力学中的一个粒子可以有多种不同的状态,创世之后也可以产生多种不同类型的宇宙状态。每一个可能的宇宙中都有自己的一套物理定律和物理常数,我们只不过恰好生活在其中一个允许星系和人类出现的宇宙中而已。这就好比说既然有无数多的行星系统存在,恰好有一个适合人类生存的地球并不奇怪。
霍金在书里使用物理学的一些最新进展,比如M理论,和他本人在量子引力方面的研究成果作为论据,对这些大问题给了一个说得过去的答案。然而在专业的物理学家看来,这个论证很不严谨,书中用到的很多物理理论,比如说超引力,在数学上并不严格,更不用说M理论还远远没有得到实验证实。霍金几乎是等于宣称物理学家一直追求的“统一理论”已经成型,大问题的答案已经有了,可是很多物理学家不会同意他的看法。
霍金为何选择M理论
不过霍金也解释了为什么M理论是最佳选择。首先,如果你的宇宙是一个连续系统,它的物理定律不随时间改变,那么其中必定能量守恒。其次,这个守恒的总能量必须等于0,这是因为如果能量大于零,宇宙就无法被凭空创造出来,而如果能量小于零,它就可以在真空中的任何地方出现。更进一步,既然宇宙的总能量为零,而在其中制造星球需要正的能量,那么它就必须包含引力,因为引力提供负能量。最后,这个引力必须用超引力理论来描述才能消除无穷大项,而M理论正是超引力的最一般理论。
霍金甚至提出了这套理论的一个预言:如果宇宙真是这样诞生的,那么在微波背景辐射中应该能观测到某种精微的特征,这种特征目前的观测手段还看不到,但将来或许可以看到。
物理定律必须处处管用,以至于让上帝也无事可做;而一个好的物理理论不但能解释已知的现象,还能对未知的现象作出预言,这就是物理学的两个逻辑。霍金的学说显然符合第一个逻辑,只是不知道能不能符合第二个。