上帝与新物理学

文敏

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“上帝从未制造奇迹来说服无神论,上帝平常的工作就足以说服无神论了。”

——弗朗西斯·培根

《上帝与新物理学》,这题目够吓人的,讨论的大问题更是吓人:宇宙是怎么产生的?它为什么是这样的?它的终局如何?对此宗教早已有了现成的答案。但本书作者保罗·戴维斯是宇宙物理学家,他不习惯现成的答案。他要自己寻找上帝,并沿着另一条路——新物理学——来寻找。他认为,与宗教相比,“科学能为人指出一条更为确切的通向上帝的道路”。因为半个多世纪前,物理学中发生了奇怪的事。在从事这门科学的人当中,突然出现了许多有关空间、时间以及有关心理与物理的全新看法,这些看法稀奇古怪、令人惊讶。到了今天,这些看法开始波及大众,人人都在谈论引力波和宇宙暴涨,好像它是过年饭桌上的一道道冷盘热菜。可是,真正使哲学家和物理学家们好奇并激发了他们灵感的看法是,它们其实是精神原子弹,不仅把传统的经典物理学大厦炸得千疮百孔,也引爆了人类思想的大革命,把人类许多固有的观念冲击得稀里哗啦。至于对新物理学与上帝之间关系的追根究底,作者自己也觉得同行中少有人能够理解:“我认为,与宗教相比,科学能为人指出一条更为确切的通向上帝的道路。或许这样的想法有些古怪。无论正确与否,科学实际上已进展到这一地步,它可以认真地解决从前是属于宗教的问题了。这一事实本身就显示了新物理学的深远影响。”他的言下之意是,科学过去只对已经存在的宇宙进行研究,为什么有这样一个宇宙,科学说不上太多,它是宗教的领地。牛顿的经典物理宇宙里确实保留了一个上帝——一个创造产品之后撒手不管的机械师。现在,科学——新物理学也许可以越过雷池说点什么了。不过本书不是谈宗教的书,谈的是新物理学对以前属于宗教的问题产生的影响。但本书也不是一本纯科学的书,虽然不可避免地必须在这里那里解释一些技术性问题,文科女们倒也不必害怕令人心烦的数学公式或一串串的专门术语来折磨你,但会让你在阅读中不时停下来思考宇宙物理到底是什么样的科学?我们从何处来?要往何处去?

  我为什么会读这本书的原因已经记不得了。有些东西我先抄了再说:我们的标准宇宙学认为宇宙起源于一次大爆炸,所有的东西都在这个爆炸之后相互远离。所以哈勃在上世纪20年代发现了星系之间相互远离,远离的速度正比于距离。这个是大爆炸的后遗症。但是这里面存在一个还没能解决的问题,就是因果关系问题。如果宇宙中的两个点需要发生作用、有了关联,那么一定是一个点作为原因,另一个点作为这个作用的结果,因果信息从一个点传递到另一个点,这个关联就建立了,这叫做因果关系。因果关系的建立是需要时间的,这个速度最大就是光速。我们又知道,宇宙今天的年龄大约是137亿年了,那么我们就可以用137亿年乘上光速,我们就可以知道一个最大的距离,只有在这个距离以内的两个点,才来得及在宇宙诞生之后发生因果关系。超过这个距离的点来不及发生因果关系。但是实际上却不是这样。观测发现宇宙竟然在很大的尺度上都是均匀的,每个点似乎都商量好了一样彼此保持一致,呈献给我们一个非常简单状态的宇宙,我们不需要对每个不同的方向建立不同的理论。所以我们没能解决这个因果的问题。宇宙膨胀的早期温度很高,不同区域的温度也有差异,但是今天的宇宙非常均匀。想做到这一点需要这些点之间相互作用达到热平衡。所以有人猜测,是不是在宇宙刚刚大爆炸之后很短的时间里,就发生了一次非常奇怪的剧烈膨胀,使得空间一下子增加了好多好多(当然,除了这个简单化解释的因果问题以外,还有很多问题得不到解释,比如磁单极子为什么找不到等等)。理论上说的这个剧烈的膨胀在瞬间改变了很多物理性质,科学家叫做暴涨,inflation。因为暴涨,我们的宇宙才会变得每个点看上去都差不多的样子。但这一直仅仅是一个预言,没有实际的观测证据。如果这个暴涨是存在的话,会有引力波的辐射,这个辐射可以分解为两种成分,分别是类似电场的E模式和类似磁场的B模式。因为前者有梯度没有旋度,后者有旋度没有梯度。E模式很容易被现有的理论解释和观测到,但是B模式很难观测到。产生B模式有两个机制,分别是暴涨,或者引力透镜。引力透镜产生B模式已经被南极天文台观测到了。那么如果还能观测到新的B模式的引力波,就意味着暴涨理论是真实存在的,解决了今天的大爆炸宇宙模型的一些疑难问题,让大爆炸宇宙模型更加牢固了。英国著名物理学家罗杰·彭罗斯,也是这套丛书中《皇帝新脑》的作者,他是那种张爱玲说的“出名要趁早”的类型,他先于霍金研究了引力理论中奇点问题,那时他才34岁。我们知道,爱因斯坦的时空观与万有引力紧密相关,在爱因斯坦看来,万有引力最恰当的解释不是传统的力,而是时间和空间的弯曲。当时空弯曲了,所有的物体走最短程的路径,这些短程路径看上去就像是引力作用在物体上所引起的。时空弯曲的最有名的例子是黑洞,在黑洞的周围存在一个曲面,在这个曲面之内,光线的最短程线不能到达黑洞的外部,这个特点就是黑洞这个名字的来源。彭罗斯证明了在大质量天体塌缩成黑洞的过程中,必然存在一个点,所有的塌缩物质在这个点之后不再存在路径。用几何的语言来说,这是几何上的奇点。而在普通的人看来,这是毁灭之点,因为越是靠近这个点,引力产生的拉扯力越大,最终归于毁灭。从物理学的角度来看,在这个点上,所有的物理学定律不再适用。霍金后来与彭罗斯一道将奇点的存在性证明推广到更加一般的情况,包括早期宇宙。也就是这位彭罗斯先生,他曾计算过我们所观察到的宇宙出于偶然的可能性有多大。他的计算结果是,从演绎的角度来看,偶然事件造成一个黑洞宇宙的可能性倒比造成现有的宇宙可能性要大得多。他估计的数字是101030:1(“奇点与时间的不对称性”《广义相对论:爱因斯坦百年巡礼》)。

  相对论和量子论,新物理学大部分就是从这两论中产生出来的。它们的内容稀奇古怪,我说不明白你也听不明白,只能告诉你“眼见为实”成了不怎么靠谱的事,“无中生有”倒是正常的。在日常世界里,能量总是守恒的,这是经典物理学的基石。但在量子微观世界里,能量可能以自发的、不可预测的方式不知从哪里冒出来,或消失在哪里。戴维斯先生的解释是这两个理论似乎彼此并不兼容。一方面,量子论认为,观察者在形成物理实在的本质中具有十分重要的作用——这句话太过拗口,我想举“薛定谔的猫”这个著名的悲惨故事为例,不知能够说明问题还是把问题扰得更混?薛定谔先生觉得微观世界的规律不同让人不爽,于是设计了这个微观影响宏观的思想实验:一个封闭的箱子,外界无论任何探测手段都无法穿透,而内部有一只猫,一个即将衰变的什么原子(忘了),以及一个检测其衰变的机器,机器一旦检测到衰变,就会释放出毒气毒死猫,而在无人观察(其实际意义是说,没有任何其他事物或力量能影响这个箱子)的状态下,原子处于一种衰变与未衰变的叠加态——它即不是衰变也不是没衰变,更不是既衰变又没衰变或者是有一定几率衰变——它的状态是一种宏观世界一般无法拥有的状态。因为原子是否衰变决定了猫的生死,所以在这个箱子里,猫的生死跟原子的衰变同步,变成叠加态了——奇妙到不可思议是吧?简单说来就是因为“观察”的动作使那种幽灵般的混合状态消失了,用术语来说是“塌缩”了。另一方面,相对论则破除了普遍时间的概念,也破除了绝对的过去、现在、将来的概念,把将来描绘成在某种意义上说早就存在的东西。这么一来将我们借助量子论获得的胜利就这么给打发掉了。过去的哲学家都是物理学家,而现在,物理学家都是哲学家。看来新物理学到如今几乎就像是一种精神操练,讨论的东西是“不确定性”“波粒二象性”,既不是波也不是粒,真正如幽灵一样。可是,组成我们这个宏观世界的却正是那些幽灵,真是细思极恐。

  既然科学和宗教一样通体弥漫着精神性,这就意味着,科学和宗教一样可以凭信仰支撑。就如霍金先生,全身上下只剩下一个大脑好使,就够他自如地穿梭于宇宙黑洞之间了。说到宇宙诞生的终极话题,这个谜是科学与信仰的最基本而又最令人生畏的问题。没有超自然的输入,宇宙能诞生吗?传统的看法是,“无中不可能生有”。量子物理学似乎已在这一论断上打开了一个缺口。物理学家们现在谈论着“自创造的宇宙”,即一个自发地爆发形成的宇宙,像有时在某些高能过程中从不知何处爆出的亚核粒子一样。这种理论的细节是否正确?这个问题并不怎么重要,重要的是现在有可能为万有的创生设想一个科学的解释了。

  经过一番探寻之后,戴维斯先生还是没有找到他理想中的上帝。那是不是上帝的问题就可以就此丢开呢?还不能。戴维斯先生明确地告诫我们说,这个想法是“愚蠢的”,它和科学不能探讨上帝的想法一样愚蠢。自始至终他的意思很显然:科学确实破除了许多宗教观念,但就目前而言,科学依然不能就上帝问题说出什么决定性的意见,也许只能为寻找上帝提供了一些“新线索”,否则他也不会有这个书名了。

  作者在本书的开始,引用了爱因斯坦的两句话:“没有科学的宗教是盲目的。没有宗教的科学是跛足的。”这两句话,大约也是代表了戴维斯本人的意见。所谓“没有科学的宗教”在我们这个地方或许有些难以理解。它显然是与“有科学的宗教”相对而言的。对于“有科学的宗教”(如基督教),人们可以进行自由的探讨,甚至在圣经中看到那些以色列远古祖先居然与上帝讨价还价,那些伟人的信心并非从不动摇而是有过挫折与犹豫后的重新得力。而“没有科学的宗教”,指的是一种盲目的信,当然也就是盲目的宗教。人类受过和正在受着的盲目宗教的害太多了。那么,“没有宗教的科学”又是指什么呢?这里所说的“宗教”应该指信仰。例如,早在几千年前人类就猜想大地是球形的。那时谁也没能真正“观察”到地球是一个“球”。要证实这一猜想,从而使这猜想成为科学知识,就得进行一番科学实验。而若想进行这样的科学实验,就得有坚定如宗教的信仰。于是,宗教与科学就这样联系了起来。

转自《中华读书报》2016年2月17日

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