不知因此然

物理學的邏輯和霍金的答案

明星物理學家霍金的新書 The Grand Design (《大設計》) ，和當年的《時間簡史》同樣受到公衆和媒體的熱烈追捧，成爲又一本可以連續佔據暢銷書排行榜的「物理書」。不少媒體關注的重點都是說霍金在這本書裏排除了上帝存在的可能性，但其實這本書說的是比上帝存不存在更重要的事。它說的是爲何會有這麼一個剛好適合人類生存的宇宙。
這大概是人類所能提出的最大問題了。宇宙爲何存在？宇宙是怎麼起源的？咱們這個宇宙的性質很是精妙地符合人類需求，那麼它是被「設計」出來的麼？不少人認爲物理學家跟哲學家和宗教人士同樣，追問這些問題是爲了得到「心裏的平安」，但物理學家跟他們不同。物理學有一套很是不一樣的邏輯。
我曾經在一次聚會上跟一個牧師聊天。這是一位很是虔誠的牧師，走到哪都帶着一個破舊的隨身聽，裏面放的是《聖經》錄音帶。我覺得個人知識足以挑戰他的信仰，我問他你怎麼可能相信地球是在6000多年前被上帝創造的呢？咱們有充分的證據代表地球上不少東西的年齡超過一百萬年。不料這位牧師說了一個幾乎讓我目瞪口呆的理論。他說上帝創造萬物的時候能夠創造各類年齡的萬物。這就比如說假設我如今能夠創造出來一我的來，這我的的年齡看上去是20歲，但是他是何時被創造的？如今被創造的。
這真是一個完美的理論，我沒法從邏輯上質疑它的正確性，這位牧師靠這個理論得到了心裏的平安。可見得到心裏的平安是容易的事情，若是你相信上帝無所不能，上帝安排了一切，你就能夠解釋任何現象，你就得到了心裏的平安。但是物理學家對本身有比「心裏的平安」更高的要求。我對這個牧師說，個人理論不但能解釋各類化石的年齡，我還能對還沒有發現的化石作出預言，你的理論也能解釋，但是你的理論能預言麼？
判斷一個物理理論的好壞不在於這個理論是否符合人的直覺，或者是否夠漂亮，而在於它能不能作出預言。與哲學家們成天爲了堅持本身的學派和「信念」跟人吵架不一樣，物理學家從不執着於任何一個物理理論，堪稱是最完全的革命者。
但物理學家也有一個能夠稱做「信念」的東西，這個信念就是世界應該是合「理」的。也就是說，物理定律應該適用於全部時間和全部地點，全部事件都必須精確地符合描寫物理定律的數學方程。
正是這個信念使得物理學家能夠不斷地作出預言。若是有一個偵探發現一月一日有人被殺；二月一日又有人被一樣的方法殺死；三月一日還有人被一樣的方法殺死，他就會得出一個理論：罪犯在每個月一日殺人。這個理論不但能解釋過去的三起殺人案，並且能作出四月一日會有人被殺的預言。物理學家的思路相似，只不過對他們來講，四月一日必須有人被殺 — 不容許物理定律像犯罪同樣有被中止的可能。過去，電磁相互做用和弱相互左右被認爲是兩種不一樣的力，而薩拉姆和溫伯格在1967年用一個統一的理論把這兩種力統一了起來。這個理論不但能解釋已知的現象，還預言了在這個框架內必須存在的三個新粒子，後來果真被試驗發現。反過來講，有人試圖把強相互做用也給統一進去，結果獲得了幾個所謂「大統一理論」，Grand United Theory （GUT）。這些 GUT 都預言質子應該會衰變，然而目前爲止全部的實驗都代表質子就算真的會衰變，其半衰期也比 GUT 預言的要長，因此 GUT 理論就算再精妙也不能被接受。
既然全部事件都符合物理定律，上帝還有什麼用呢？若是上帝不能干預物理過程（好比說製造奇蹟），他存不存在還有什麼意義呢？牛頓就提出了一種意義。
牛頓在解出行星軌道方程以後發現引力會對這些軌道作出擾動。而這種擾動一旦累積起來就會致使軌道的不穩定，使得行星或者墜入太陽，或者脫離太陽系。據此，牛頓認爲上帝必須存在，只有上帝才能時不時地對地球軌道進行微調，確保穩定。要不是拉普拉斯後來證實這種軌道擾動是週期性的不可積累，物理學家大概也只好接受上帝存在。
牛頓認爲上帝必須存在的另外一個理由則不須要他的直接干預，這就是地球在太陽系的位置實在是太幸運了。方程代表一個行星的軌道在通常狀況下應該是橢圓形，圓形是很是特殊的狀況。若是地球軌道是橢圓，哪怕「橢」的不是特別厲害，其近日點和遠日點的溫度也將會很是不一樣，而不會有像如今這樣一年四季溫度相差不算太大的環境。而地球的軌道幾乎就是圓的！地球四季的溫差幾乎徹底來自自轉和公轉的傾角，而與距離太陽遠近無關。地球的另外一個幸運之處在於這個距離與咱們這個太陽的質量正好搭配合適，哪怕太陽質量有20%的不一樣，地球也將由於過冷或者過熱而不適合生存。牛頓考慮到這些巧合，認爲這必定是上帝安排的，就好像一個連續買彩票中大獎的人認爲這是上天的眷顧同樣。要不是後來咱們發現宇宙中有那麼多的行星系統因此其中有一個適合生存的不算意外，物理學家大概也只好相信這個巧合是安排的。
相對於那些由於本身「信仰」無神論而否認牛頓的人而言，像牛頓這樣的較真精神反而更了不得。如今，相似於牛頓遇到的這些問題仍然困擾物理學家。這些問題的特徵就是咱們這個宇宙實在太幸運了，差一點都不行！
第一個問題是宇宙起源的初始條件。天文觀測和經典理論都代表宇宙起源於大爆炸，而量子引力的進展則代表大爆炸比此前想象的要快得多。對宇宙微波背景輻射非均勻性的發現證明了暴漲理論。然而要想實現足以造成咱們這個宇宙的暴漲，宇宙起源的初始條件必須知足無比嚴格的要求。這就好像你要作一個炸彈，這個炸彈的形狀必須是一個絕對精確的球形它才能實現預期的爆炸效果同樣。除了上帝誰還能準備這樣精確的初始條件？
第二個問題是各類物理參數爲何如此地恰到好處。計算代表若是把強相互做用的強度改變0.5%，或者把電磁相互做用的強度改變4%，碳和氧這兩個對生命相當重要的元素就不會出現；哪怕把質子的質量增長0.2%，它就會迅速衰變從而根本不會有任何化學現象。另外，空間還必須是三維的，不然行星軌道就不會穩定。現代物理學沒法從邏輯上解釋爲何這些物理參數是這樣的，就好像一個網絡遊戲玩家不能用物理定律解釋某些超強 boss 的武力值同樣，惟一的解釋彷佛是它們是被「設計」成這樣的，不然這個宇宙或者遊戲就很差玩。
霍金在書裏給出了一個不須要設計者的解釋。霍金首先用所謂「無邊界條件」來取消了「宇宙創生以前發生了什麼」這個問題，這個條件說在早期宇宙的極端條件下，時間維被扭曲得好像一個空間維，也就是說那時候有四維空間而沒有時間，也就不存在「以前」的問題了。進一步，早期宇宙處於量子態，而它的歷史則是全部知足「無邊界條件」的歷史疊加的結果。一個量子的宇宙能夠自發地誕生。
正如量子力學中的一個粒子能夠有多種不一樣的狀態，創世以後也能夠產生多種不一樣類型的宇宙狀態。每個可能的宇宙中都有本身的一套物理定律和物理常數，咱們只不過剛好生活在其中一個容許星系和人類出現的宇宙中而已。這就比如說既然有很是多的行星系統存在，咱們剛好獲得一個適合人類生存的地球就並不奇怪。
霍金在書裏使用物理學的一些最新進展，好比M理論，和他本人在量子引力方面的研究成果做爲論據，對這些大問題給了一個至關說得過去的答案。然而在專業的物理學家看來，這個論證很不嚴謹。書中用到的不少物理理論，好比說超引力，在數學上並不嚴格，更不用說M理論還遠遠沒有獲得實驗證明。霍金幾乎是等於宣稱物理學家一直追求的「統一理論」已經成型，大問題的答案已經有了，但是不少物理學家不會贊成他的見解，好比中科院理論物理研究所的李淼老師就不買帳。
不過霍金也解釋了爲何M理論是最佳選擇。首先，若是你的宇宙是一個連續系統，它的物理定律不隨時間改變，那麼其中一定能量守恆。其次，這個守恆的總能量必須等於0。這是由於若是能量大於零，宇宙就沒法被憑空創造出來；而若是能量小於零，它就能夠在真空中的任何地方出現。更進一步，既然宇宙的總能量爲零，而在其中製造星球須要正的能量，那麼它就必須包含引力，由於引力提供負能量。最後，這個引力必須用超引力理論來描述才能消除無窮大項，而M理論正是超引力的最通常理論。
霍金甚至提出了這套理論的一個預言：若是宇宙真是這樣誕生的，那麼在微波背景輻射中應該能觀測到某種精微的特徵，這種特徵目前的觀測手段還看不到，但未來或許能夠看到。
物理定律必須到處管用，以致於上帝就算存在也無事可作；而一個好的物理理論必須不但能解釋已知的現象，還能對未知的現象做出預言。這就是物理學的兩個邏輯。霍金的學說顯然符合第一個邏輯，只是不知道它能不能符合第二個。
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