第三次沉思

10 我们仍不了解的宇宙 1992年，我和其他物理学家们一起进行游说，为一个大型基本粒子加速器争取资金支持。这个加速器就是超导超级对撞机。我们想出了一个好主意，组织一次面对美国众议院议员的讲座，其间我们可以解释这一设备对科学研究的重要性。三位议员出席了会议。我们讲完后，一位来自马里兰州的民主党议员告诉我们，如果我们能够向他确保这一设备对斯蒂芬·霍金的工作有益，他就愿意支持超导超级对撞机。 这个小故事可以说明，霍金作为一个科学家在那个时候已经获得巨大声望，在20世纪超过他的可能只有爱因斯坦，或许还有玛丽·居里和理查德·费曼。霍金也绝非徒有虚名。早在年轻的时候，他就已经做出了精彩的数学工作（部分是与罗杰·彭罗斯一起），证明了根据广义相对论，有些情况下将发生不可避免的灾难——在无限扭曲的时空中无限压缩的能量。后来，他又证明了黑洞向外辐射能量，现在被称为霍金辐射。他是首批使用量子力学来计算早期宇宙中能量分布起伏性质的人之一。这些微小的起伏*终导致了我们今日所见星系的形成。尽管霍金的身体残疾越来越严重，而且这样的身体状况足以击败任何不具有像他那样非凡勇气的人，他却达成了所有这些以及更多的成就。 霍金1988年的著作《时间简史》销量惊人，以至在一段时期内，出版商为其他作者的科普书（包括一本我自己的）付了不切实际的预付款，希望其他书也能达到与《时间简史》同样的销量。现在，霍金推出了另一本面向大众的书《大设计》，这次是和加州理工学院的物理学家伦纳德·蒙洛迪诺合著。 我看到的针对霍金这本书的评论主要是在讨论霍金的宇宙观中没有上帝，似乎这很令人惊奇。对于这本书的这一反应，在我看来很愚蠢。霍金说的是，我们不需要上帝来理解宇宙。在我们对宇宙了解多少这个问题上，科学家们可能会有分歧，但是没多少人会觉得需要上帝来弥补空白。在《时间简史》中，霍金提到未来可能发现一个完整的关于自然的理论时，他写道：“那时我们就会了解上帝的想法。”但这只是一个比喻，就像爱因斯坦说上帝不可能对宇宙掷骰子。可能为了避免误解，霍金在《大设计》中没有使用类似比喻。 霍金这本书中的主题之一确实对宗教具有影响。他采纳了在物理学家中越来越流行的一种观点，认为我们所谓的宇宙——朝各个方向延展至少数百亿光年且不断扩张的星系云结构——可能只是宏伟得多的多重宇宙中的一小部分。人们认为多重宇宙包含了大量的其他部分，可能每一个都可以被称为一个宇宙，在那些宇宙中，通常所说的自然规律可能都和我们在这里观测到的非常不同。 自然规律似乎有利于生命的诞生，这一事实被某些人当作证据，认为可以证明慈悲造物主的存在。但如果多重宇宙的观点是正确的，证据将不复存在。比如，如果组成原子核的两类夸克中有一类比另一类重得多或者轻得多，就只会有几种稳定元素，而不会产生生命必需的丰盛元素。霍金列举了更多这类的例子。而且要想产生生命必需的充足的化学元素，不需要对夸克质量进行非常严格的微调。 但霍金引用的一个例子，展示了物理常数非常令人惊叹的一个微调，如果没有这样，生命就永远不会出现。它与暗能量有关，即真空中的能量。1998年，天文学家发现宇宙膨胀正在加速，通常认为加速的原因是暗能量。但暗能量的值有些怪异。我们可以计算一些导致暗能量的情形——实际上，在1998年之前就有一些理论学家做过这类计算。可是它们所形成的暗能量的值太大了，如果它们不能够被其他贡献所抵消，宇宙的膨胀速度就应该比观测到的快得多。那样的话，由于宇宙膨胀太快，星系和恒星系统这样的引力束缚系统就从来不会形成。抵消是有可能的，因为还有其他对暗能量的贡献项，只是我们不能计算，部分原因是它们依赖于我们不知道的事，这些项可以抵消我们能够计算的贡献。（我们所不了解的对暗能量有影响的事物之一是所谓宇宙常数的值。宇宙常数是爱因斯坦在1917年引入的，目的是修正广义相对论中的引力场方程。）但是，为了让这些目前为止不能计算的项拥有正确的数值，从而获得足够小的总暗能量来允许引力束缚系统形成（并且小得恰好符合测量到的宇宙膨胀速度），类似宇宙常数这样的自然常数必须要被调整得极为精细，完整抵消到小数点后第65位。 另一方面，一个多重宇宙会有这么多不同的部分，以至像夸克质量和爱因斯坦的宇宙常数这样的量，以及其他自然常数的可能值范围会很大。有可能在多重宇宙的绝大部分，类似夸克质量和宇宙常数，甚至空间维度的值都不适合生命的诞生。但是由于这些常数在不同部分有足够多的可能，有些地方可能会出现生命。很明显，我们处在这样一个有利的部分并不令人惊讶，也并不能表明宇宙的仁慈。就像在一个拥有数十亿颗行星的星系里，在为数不多的适合生命的行星中，有一颗孕育了我们，这也不是慈悲造物主的证明。我们除了出现在可以维持生命的行星上，还能在哪儿呢？ 霍金引用了2003年维也纳枢机主教的一段臭名昭著的陈述，这段话将多重宇宙的想法抨击为一种“为了避免现代科学中发现的压倒性证据”的东西。并非如此。就像霍金讲的，多重宇宙的概念并不是用来解释精细调整的奇迹。他讨论了引导物理学家得到多重宇宙想法的两种不同思路，两者都和生命必需的条件无关。 **种思路来自安德烈·林德提出的混沌暴胀理论。暴胀是宇宙初期以指数级扩大的一个阶段，就像一个银行账户每10的负38次方秒就增长100%那样增长。现在人们认为，在宇宙当前缓慢扩张的阶段之前，曾经历这一指数级增长。就像一开始阿兰·古斯所设想的那样（大部分计算仍这样假设），人们曾以为暴胀在空间中各处都是均匀的。但是没有理论可以解释这种均匀性。更自然的想法是，认为宇宙在非常大的尺度上是混沌的，充满了起伏巨大的场，并且完全随机地时不时出现空间中某一块的条件允许它开始指数级暴胀。在少数情况下，这些块会长成类似我们当前的宇宙，生命可能出现在其中。 对多重宇宙的另一种思路来自量子力学，量子力学是所有物理的数学框架。量子力学中*诡异的事情，是所谓量子态叠加。一个粒子有可能（甚至常见）处于一个状态下，在此状态下，它并不在一个或者另一个可能的位置，而是处于叠加状态，因此对其位置的观测可能得出很多结果，不同结果的概率则取决于叠加的性质。原则上，就像薛定谔指出的那样，即使一只猫也可能处于叠加态中，有些态中它是活的，其他态中则是死的。类似的，整个宇宙可能是很多不同态的叠加，在不同的态中，类似夸克质量这样的自然常数取不同的值，这些态中的很小一部分适于生命出现。 这些说法都具高度推测性，但并不独特。物理学家们已经就这些想法进行了广泛的讨论。但霍金的意见中确实多多少少有些不同寻常之处。他提出多重宇宙之所以作为量子力学中的叠加态出现，是因为在非常早期的宇宙中，所有四个维度都像空间一样起作用，没有时间。我不会尝试解释这如何能够有效，因为我不认为它可信。确实，霍金已经证明，在计算早期宇宙中的过程时，通过在数学上将时间维度扭曲成空间维度之一，然后进行计算，这是有用的。但这并不意味着时间在早期宇宙中曾经是空间。毕竟，其他的理论学家，可以上溯至20世纪50年代的朱利安·施温格，也曾通过将时间维度扭曲成空间维度之一，计算出了原子和粒子物理中精细的效应。但这一有用的数学技巧并不能改变我们如今住在三维空间和一维时间中的事实。 近年来，由于曾被称为弦论的理论的发展，多重宇宙的想法得到了巨大的发展。现在人们认为，已知的各种版本的弦论，以及大量其他理论都代表着还未知的基本理论的近似解。这种未知的基本理论被霍金称为M理论。这些不同的近似解描述了各种维度不同且自然常数取值不同的时空中的各种粒子、场或者膜的组合。据说，被霍金称为M理论的基本理论的这些不同解，在多重宇宙中的不同部分被实现。 当霍金说这一基本理论是一个十一维时空中的理论的时候，他试图让这个理论比看起来更好理解。M理论这一术语，是1995年由爱德华·威滕提出的。（威滕从未解释过M代表什么。）威滕的M理论确实是一个关于粒子与膜的十一维的理论，但是这一理论被提出时，只是作为未知基本理论的很多近似解中的一个，而不是基本理论本身。我们完全不知道基本理论的时空维度。很多理论学家认为，这不是一个关于任何类型时空的理论，时间与空间仅仅出现在基本理论的近似解中。 如果我们对基本理论所知如此之少，我们为什么认为它存在呢？霍金提到了一个事实，在两个弦论或者其他基本理论的近似解都应该正确的情况下，计算表明，这两个解是一致的。（这是威滕1995年在南加州大学一次著名讲座上提出的。）霍金用地球表面上不同区域的地图，做了一个非常有益的类比。我们可以将整个地球表面划分成相互重叠的区域，每块区域的直径不超过几百英里，区域足够小，使得地图上的距离和方向可以近似表示实际的距离和方向。即使我们事先不知道这些地图代表同一个表面的不同部分，通过注意到两个相互交叠区域的地图在重叠部分彼此相同，我们也能够发现这一点。在这一类比中，地球表面就代表被霍金称为M理论的基本理论，而各个不同的地图对应这一理论的各种近似解。 霍金提出了一个惊人而又令人不安的可能性，也许根本没有更基本的理论，我们将会得到的只是很多近似理论，每一种都在不同的情境下成立，并且在情境重叠的地方彼此相符。这样一来，地球表面的地图的类比就不成立了。一个人确实不可能在一张平面的纸上为整个地球的球形表面做出可靠的地图，但是毕竟只存在一个地球，而不是一堆重叠的近似地图。 除此之外，霍金还表达了一种对现实彻底怀疑的看法。可以从他对量子力学的一次陈述中看出这一点，他说：“宇宙并没有一个单一的历史，而是不同的单独的历史。”如果历史指的是我们在经典物理学中所说的意思——粒子在相继的瞬间从一个位置到另一个位置的平滑行进，这句话就是真的。我更偏好另一种看待量子力学的方式。宇宙或者任何其他系统确实具有一个确定的历史，只不过在每个时刻中平滑地变化着的，不是粒子的位置或者场的值，而是被称为态矢量的物理量。态矢量是所谓希尔伯特空间的无限维空间中的一个矢量，其方向在任意时刻都包含了系统在那一瞬间的状态。这个矢量不一定指向一个粒子处于确定位置的某一状态的方向，也可以指向一些中间的方向，对应于这些状态的叠加。这就是为什么量子力学看起来这么奇怪。但是这样一来，物理系统的历史就没有任何奇怪之处了。随着时间过去，态矢量的方向变化既是肯定的也是确定的。只有一个人坚持用经典物理学的语言去描述自然的时候，我们才能说它没有确定的历史。 霍金很好地描述了科学家是如何得出某个事物真实存在的结论的：我们构建出智能模型，在一定范围的现象内，在一定程度的近似上，这一模型符合观测。但是他将此称为“依赖模型的现实”，并且提出现实仅此而已。 关于现实本质的问题，已经困扰了科学家和哲学家上千年。就像大部分人一样，我认为有一些真实的东西存在，它们完全独立于我们和我们的模型，就像地球独立于我们的地图一样。但这是因为我不得不相信一个客观的现实，而不是因为我有很好的论据。我完全不能争辩说霍金的反现实论是错误的。但是我的确坚持认为，不论是量子力学还是物理学中的任何其他东西，都无法解决这一问题。 在这本书中，霍金还高估了科学回答深奥哲学问题的能力。他从决定论的普遍概念，并从一些表明我们的行为受物理影响的实验，下结论说我们没有自由意志。他将自由意志的幻觉归因于一个事实——人类由一千万亿亿个粒子组成，因此实际上不可能预测人们会做什么。但我认为，自由意志不过是我们的意识经验决定要做什么，当我写这篇书评的时候我知道我正在体验，即便反思物理定律让我不可避免地会想做出这些决定，我的这一体验也不会消失。雷雨也含有无数个粒子，并且也很难预测它们会做什么，但是我们不会认为它们有自由意志，因为我们并不认为它们具有做决定的意识经验。 霍金在**页说道，哲学没有跟上现代科学发展的脚步，尤其是没跟上现代物理学。但我想说，尽管哲学家没有很好地解决哲学的古老问题，物理学家也没有。 不要误会我。《大设计》是一本极好的书，它向普通读者介绍了理论物理学前沿的话题，并且解释了一些科学概念（比如费曼的量子力学方法），而且介绍得比我见过的都要更清晰。我和霍金有严重分歧的地方，是关于物理学家和哲学家有分歧的话题，这不是能轻易解决的问题。 话虽如此，因为我时不时在得州大学讲授科学史课程，我感觉必须要指出这本书中的一些历史性错误。 1.霍金可能受其反现实论的推动，说哥白尼对太阳系的描述相比托勒密的优势在于“在地球静止的参考系中，运动方程要简单得多”。并非如此，**次证明哥白尼观点优越性的并不是牛顿在1687年发表的运动方程，而是伽利略在1610年对金星相位的观测，该观测显然支持了哥白尼而不是托勒密。 2.霍金说阿里斯塔克斯的计算中只有一个留存至今，就是通过分析月食期间地球影子的大小，推出了太阳比地球大得多的结论。但是阿里斯塔克斯不可能仅仅通过观测一次月食得到这一结论。实际上，他存世的著作表明，阿里斯塔克斯也使用了太阳与月亮的视大小（以直角的几分之几表示），以及观测到的月亮半满时日月的视线方向略小于直角。 3.古人发现光线被镜面反射的角度与射向镜面的角度相同，霍金将这一发现归功于阿基米德。虽然阿基米德可能描述过这一点，但在他现存的著作中，没有任何关于反射定律的内容。人们曾将这一定律归功于欧几里得，他工作的时间比阿基米德早大约一个世纪，但是现在的历史学家并不确定是谁发现了反射定律。如果需要将反射定律的发现归功于某人，我会投票给亚历山大城的希罗（需要承认他生活的年代比欧几里得和阿基米德晚）。希罗不仅陈述了这条定律，还通过假设反射光线在物体和观察者之间的距离*短，对此进行了证明。 这是一些小的问题，在未来版本中很容易改正，并且它们也不会减损这本引人入胜的书的价值。