4.1、物理学的逻辑和霍金的答案

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课程原文：

我们进入本书的第四章，也是最后一章“霍金的答案”，这篇文章的标题叫做“物理学的逻辑和霍金的答案”

明星物理学家霍金的新书《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。很多媒体关注的重点都是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”出来的吗？很多人认为物理学家跟哲学家及宗教人士一样，追问这些问题是为了获得“内心的平安”，但其实不一样。物理学有一套非常不同的逻辑。
万维钢曾经在一次聚会上跟一位非常虔诚的牧师聊天。他以为自己的知识足以挑战牧师的信仰，他问牧师，你怎么可能相信地球是在六千多年前被上帝创造的呢？有充分的证据表明地球上有很多东西的年龄超过一百万岁。不料这位牧师说了一个几乎让他目瞪口呆的理论。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一个人来，这个人的年龄看上去是20岁，也可以是80岁，但他都是现在才被创造的。
这真是一个完美的理论，我们无法从逻辑上质疑它的正确性，可见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。可是物理学家有比内心的平安更高的要求。万维钢对牧师说，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吗？
判断一个物理理论的好坏就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，堪称最彻底的革命者。物理学家的“信念”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地点。
正因如此，物理学家可以不断的做出预言。如果有一个侦探发现1月1日有人被杀，2月1日又有人被同样的方法杀死，3月1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1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4月1日的预言。
物理学家的思路与之类似，不同的是，4月1日必须有人被杀，因为不允许物理定律像犯罪一样能够被停止。过去，电磁相互作用和弱相互作用被认为是两种不同的力，1967年的时候它们两个被一个理论统一在了一起。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，后来果然被证实。反过来说，有人试图把强相互作用也给统一进去，得出了所谓的“大统一理论”。并且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，其半衰期也比大一统理论预言的都长，所以它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？如果上帝不能违反物理定律，他存不存在还有什么意义呢？牛顿就提出了一种意义。
他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。要不是有人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的观点。
牛顿认为上帝必须存在的另一个理由是地球在太阳系的位置实在是太幸运了。一个行星的轨道在一般情况下应该是椭圆形的，圆形是非常特殊的情况。如果地球轨道是椭圆形的，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！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距离与太阳的质量正好搭配合适，如果太阳的质量有稍有不同，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，其中有一个适合生存的也不算意外，物理学家大概也只好相信这是上帝的安排。
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，类似的问题仍然困扰着物理学家。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。现有理论表明宇宙起源于大爆炸，而量子引力学的进展则表明大爆炸比此前想象的要快得多，称为“暴涨”。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%，它也会迅速衰变从而使得宇宙中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，唯一的解释似乎是它们是被“设计”成这样的，否则这个宇宙就不好玩。
霍金在书里给出了一个不需要设计者的解释。他首先用所谓的“无边界条件”来取消了“宇宙创生之前发生了什么”这个问题。即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。这个道理就如同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，给了这些大问题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。霍金的做法几乎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。
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零。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，还能对未知的现象做出预言。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。