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物理学的逻辑和霍金的答案

2013-10-26
物理学的逻辑,霍金的答案
物理学的逻辑和霍金的答案
同人于野
(《新知客》,2010年11月)
明星物理学家霍金的新书 The Grand Design (《大设计》) ,和当年的《时间简史》一样受到公众和媒体的热烈追捧,成为又一本能够连续占据畅销书排行榜的“物理书”。很多媒体关注的重点都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。它说的是为什么会有这么一个恰好适合人类生存的宇宙。

这大概是人类所能提出的最大问题了。宇宙为什么存在?宇宙是怎么起源的?我们这个宇宙的性质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和宗教人士一样,追问这些问题是为了获得“内心的平安”,但物理学家跟他们不一样。物理学有一套非常不同的逻辑。

我曾经在一次聚会上跟一个牧师聊天。这是一位非常虔诚的牧师,走到哪都带着一个破旧的随身听,里面放的是《圣经》录音带。我以为我的知识足以挑战他的信仰,我问他你怎么可能相信地球是在6000多年前被上帝创造的呢?我们有充分的证据表明地球上很多东西的年龄超过一百万年。不料这位牧师说了一个几乎让我目瞪口呆的理论。他说上帝创造万物的时候可以创造各种年龄的万物。这就好比说假设我现在可以创造出来一个人来,这个人的年龄看上去是20岁,可是他是什么时候被创造的?现在被创造的。

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,你就获得了内心的平安。可是物理学家对自己有比“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,我还能对尚未发现的化石做出预言,你的理论也能解释,可是你的理论能预言么?

判断一个物理理论的好坏不在于这个理论是否符合人的直觉,或者是否够漂亮,而在于它能不能做出预言。与哲学家们整天为了坚持自己的学派和“信念”跟人吵架不同,物理学家从不执着于任何一个物理理论,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,这个信念就是世界应该是合“理”的。也就是说,物理定律应该适用于所有时间和所有地点,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不断地做出预言。如果有一个侦探发现一月一日有人被杀;二月一日又有人被同样的方法杀死;三月一日还有人被同样的方法杀死,他就会得出一个理论:罪犯在每月一日杀人。这个理论不但能解释过去的三起杀人案,而且能做出四月一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,四月一日必须有人被杀 — 不允许物理定律像犯罪一样有被停止的可能。过去,电磁相互作用和弱相互左右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,后来果然被试验发现。反过来说,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 都预言质子应该会衰变,然而目前为止所有的实验都表明质子就算真的会衰变,其半衰期也比 GUT 预言的要长,所以 GUT 理论就算再精妙也不能被接受。

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存在。

牛顿认为上帝必须存在的另一个理由则不需要他的直接干预,这就是地球在太阳系的位置实在是太幸运了。方程表明一个行星的轨道在一般情况下应该是椭圆形,圆形是非常特殊的情况。如果地球轨道是椭圆,哪怕“椭”的不是特别厉害,其近日点和远日点的温度也将会非常不同,而不会有像现在这样一年四季温度相差不算太大的环境。而地球的轨道几乎就是圆的!地球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这个距离与我们这个太阳的质量正好搭配合适,哪怕太阳质量有20%的不同,地球也将因为过冷或者过热而不适合生存。牛顿考虑到这些巧合,认为这一定是上帝安排的,就好像一个连续买彩票中大奖的人认为这是上天的眷顾一样。要不是后来我们发现宇宙中有那么多的行星系统所以其中有一个适合生存的不算意外,物理学家大概也只好相信这个巧合是安排的。

相对于那些因为自己“信仰”无神论而否定牛顿的人而言,像牛顿这样的较真精神反而更了不起。现在,类似于牛顿遇到的这些问题仍然困扰物理学家。这些问题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,而量子引力的进展则表明大爆炸比此前想象的要快得多。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我们这个宇宙的暴涨,宇宙起源的初始条件必须满足无比严格的要求。这就好像你要做一个炸弹,这个炸弹的形状必须是一个绝对精确的球形它才能实现预期的爆炸效果一样。除了上帝谁还能准备这样精确的初始条件?

第二个问题是各种物理参数为什么如此地恰到好处。计算表明如果把强相互作用的强度改变0.5%,或者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根本不会有任何化学现象。另外,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,就好像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,唯一的解释似乎是它们是被“设计”成这样的,否则这个宇宙或者游戏就不好玩。

霍金在书里给出了一个不需要设计者的解释。霍金首先用所谓“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,也就是说那时候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。这就好比说既然有非常多的行星系统存在,我们恰好得到一个适合人类生存的地球就并不奇怪。

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相当说得过去的答案。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,比如中科院理论物理研究所的李淼老师就不买账。

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,以至于上帝就算存在也无事可做;而一个好的物理理论必须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,只是不知道它能不能符合第二个。
(28,280 views)
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49 Comments (and 4 trackbacks)
#7 by 我爱慌张 on 十一月 1, 2010 - 3:32 下午
订阅了,看你的文章好久了,有的专业性的文章不是很懂,呵呵。特别喜欢《用强力研读书ⅠⅡ》,很喜欢。谢谢老师的分享。

#8 by yang on 十一月 1, 2010 - 4:44 下午
关注您的文章很久了,我是一位以后想搞社科的大学生,但是个人认为关注一下物理学的前沿对自己开阔思路还是有帮助的。希望老师能够继续写一些能够让外行人理解的物理学普及文章,在此表示诚挚的感谢!

#9 by 被讥笑为科学主义者的人 on 十一月 1, 2010 - 4:51 下午
霍金的学说显然符合第一个逻辑,只是不知道它能不能符合第二个。
第二个要重要得多。如果符合第二个,霍金可以得NB奖了。

#10 by 硅基生物 on 十一月 1, 2010 - 7:14 下午
符合现有实验结果的理论,即现有实验结果的充分不必要条件,理论上有无限多种吧?那个牧师的的也算一种。

#11 by AA on 十一月 1, 2010 - 7:38 下午
科学只是这个世界的一步份!
同人兄你以前提到的那个超级牛x的女网友是对的,这个世界是二元的,即是唯物也是唯心的.”上帝柜上帝,凯撒归凯撒”,分开为好.有空把下面视频看完.
http://v.youku.com/v_show/id_XMjA0OTYwMDAw.html

#12 by luckygzy on 十一月 1, 2010 - 7:41 下午
前沿物理必须要懂,这个是世界观进化的强力推手,我虔诚的相信科学,希望深刻理会其中的意义,长期订阅您的博客深受影响,麻烦同人于野老师能推荐一下入门书籍,和相关的学习思维方法。

#13 by Fleeting Years on 十一月 1, 2010 - 9:57 下午
其实我觉得,霍金就是想用人择原理和奥卡姆剃须刀原则来给我们的宇宙一个不证自明的解释。这算是物理吗?已经时哲学的概念了,从过去到现在都一直在困扰我们……

#14 by SF lover on 十一月 2, 2010 - 12:02 上午
生命和客观世界是互相影响的,如果地球的早年没有低等生物,现在的大气层可能根本不会是这种形态,甚至连海洋都不存在了。
lz有空可以看看刘慈欣的最新科幻《死神永生》,今年年底之前会出版,里面会讲到这个问题。希望lz到时候可以发表一下感受,呵呵

#15 by nova on 十一月 2, 2010 - 9:08 上午
“与哲学家们整天为了坚持自己的学派和“信念”跟人吵架不同,物理学家从不执着于任何一个物理理论,堪称是最彻底的革命者。”
其实你所说的“可以做出预测”,和哲学家波普尔所说的“可证伪”基本是一件事情吧。所以其实哲学家也关注这些问题的,这句话说的绝对了一点,不是太严谨。
有点鸡蛋里挑骨头的感觉,见谅啊~

#16 by wucci on 十一月 2, 2010 - 11:24 上午
其实我感觉科学家和牧师的分歧是在于上帝到底是创造好这个世界并运行之后就撒手不管了还是上帝一直都在干涉我们这个世界

#17 by cinos on 十一月 2, 2010 - 3:46 下午
古希腊大牛瞎蒙也能猜对一些宇宙哲理,如果宇宙真是“讲理”的,现代科学家瞎蒙,还是有很大的机会能蒙中的,几百年后也许霍金就跟古希腊先哲一样,因为第一个蒙对,历史书上永远留名。
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#23 by 同人于野 on 十二月 24, 2010 - 7:19 上午
如果这个“设计”是我们永远都“不可知”的,那么这个设计是否存在就是一个不能证伪的东西,就没有任何可观测的意义。

#26 by 同人于野 on 十二月 24, 2010 - 7:17 上午
在《如何阅读一本书》中,作者专门谈了速读。能够以不同的速读阅读不同等级的内容,是一个实用技术。如果是 read for information 或者 read for entertainment,那么速读是可以的。但如果是 read for understanding,根本就不应该追求速度。不论怎样,一秒一页太夸张了,能记住什么呢?如果什么都不想记住为什么还读?除非是警察读档案寻找可疑犯罪分子。

#27 by 项老师 on 十二月 24, 2010 - 9:53 上午
我有一个文科生同学,谈到过她幼年时过目不忘的经历。据她所说,当时一秒或者几秒一页是很轻松就能做到的,而且当她需要回想书本内容时,闭上眼睛,一整页的面目就会清晰地在脑海中浮现。不过后来这项技能就消失了。但她的记忆能力还是比大多数人都要强的。

#28 by 小小菜鸟 on 十一月 19, 2010 - 2:39 下午
这个分析绝对经典!尤其对宇宙起源和对地球的这么多“巧合”!
ps:我都有点想订阅新知客了!呵呵

#30 by jerry on 十一月 25, 2010 - 7:10 下午
http://www.sciam.com.cn/html/guancha/guandian/2010/1105/13910.html

#48 by ky on 八月 17, 2012 - 2:56 上午
看完你这篇文章之后几天正巧听到一位朋友向她一对儿女讲上帝的存在,她女儿用你提问的那个问题反问y她妈妈,我当时马上想到你这篇文章,可让我大吃一惊的是,朋友那位三年级大的儿子居然答出了和牧师同样的观点。这实在太有趣了,无论是文章还是对话。

#49 by lcn on 九月 21, 2012 - 1:14 上午
呵呵,说明的是牧师给出来的是三岁小孩的解释。
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看完你这篇文章之后几天正巧听到一位朋友向她一对儿女讲上帝的存在,她女儿用你提问的那个问题反问y她妈妈,我当时马上想到你这篇文章,可让我大吃一惊的是,朋友那位三年级大的儿子居然答出了和牧师同样的观点。这实在太有趣了,无论是文章还是对话。


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