物理宇宙学百科

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时间简史第十章(下)

2012-03-09 21:04:31 本文行家:宇宙与道

1984年,因为两个明显的原因,人们对弦理论的兴趣突然复活。一个原因是,在证明超引力是有限的,以及解释我们观察到的粒子的种类方面,人们未能真正取得进展。另一个原因是,约翰·施瓦兹和伦敦玛丽皇后学院的麦克·格林发表的一篇论文指出,弦理论可以解释内禀的左旋性的粒子存在,正如我们观察到的一些粒子那样。不管是什么原因,大量的人很快开始作弦理论的研究,而且发展了称之为异形弦的新形式,这种形式似乎能够解释我们

                1984年,因为两个明显的原因,人们对弦理论的兴趣突然复活。一个原因是,在证明超引力是有限的,以及解释我们观察到的粒子的种类方面,人们未能真正取得进展。另一个原因是,约翰·施瓦兹和伦敦玛丽皇后学院的麦克·格林发表的一篇论文指出,弦理论可以解释内禀的左旋性的粒子存在,正如我们观察到的一些粒子那样。不管是什么原因,大量的人很快开始作弦理论的研究,而且发展了称之为异形弦的新形式,这种形式似乎能够解释我们观测到的粒子类型。


                弦理论也导致无穷大,但是人们认为,它们在一种类似异形弦的变体中会被消除掉(虽然这一点还没被确认)。然而,弦理论有更大的问题:似乎只有当空间-时间是十维或二十六维,而不是通常的四维时它们才是协调的!当然,额外的空间-时间维数是科学幻想的老生常谈;的确,它们几乎是必不可少的,因为否则相对论对人们不能旅行得比光更快的限制意味着,由于要花这么长的时间,以至于在恒星和星系之间的旅行成为不可能。科学幻想的办法是,人们可以通过更高的维数抄近路。这一点可用以下方法描述。想像我们生活的空间只有二维,并且弯曲成像一个锚圈或环的表面(图10.7)。如果你是处在这圈的内侧的一边而要到另一边去,你必须沿着圈的内边缘走一圈。然而,你如果允许在第三维空间里旅行,则可以直穿过去。


                如果这些额外的维数确实存在,为什么我们没有觉察到它们呢?为何我们只看到三维空间和一维时间呢?一般认为,其他的维数被弯卷到非常小的尺度——大约为1英寸的一百万亿亿亿分之一的空间,人们根本无从觉察这么小的尺度。我们只能看到一个时间和三个空间的维数,这儿空间-时间是相当平坦的。这正如一个桔子的表面:如果你靠非常近去看,它是坑坑洼洼的并有皱纹;但若离开一定的距离,你就看不见高低起伏而显得很光滑。对于空间-时间亦是如此。因此在非常小的尺度下,空间-时间是十维的,并且是高度弯曲的;但在更大的尺度下,你看不见曲率或者额外的维数。如果这个图像是正确的,对于自愿的空间旅行者来讲是个坏消息,额外附加的维实在是太小了,以至于不能允许空间飞船通过。然而,它引起了另一个重要问题:为何是一些而不是所有的维数被卷曲成一个小球?也许在宇宙的极早期所有的维都曾经非常弯曲过。为何一维时间和三维空间摊平开来,而其他的维仍然紧紧地卷曲着?


图10.7


                人择原理可能提供一个答案。二维空间似乎不足以允许像我们这样复杂生命的发展。例如,如果二维动物吃东西时不能将之完全消化,则它必须将其残渣从吞下食物的同样通道吐出来;因为如果有一个穿通全身的通道,它就将这生物分割成两个分开的部分,我们的二维动物就解体了(图10.8)。类似的,在二维动物身上实现任何血液循环都是非常困难的。


图10.8


                多于三维的空间维数也有问题。两个物体之间的引力将随距离衰减得比在三维空间中更快。(在三维空间内,如果距离加倍则引力减少到1/4。在四维空间减少到1/8,五维空间1/16,等等。)其意义在于使像地球这样绕着太阳的行星的轨道变得不稳定,地球偏离圆周轨道的最小微扰(例如由于其他行星的引力吸引)都会引起它以螺旋线的轨道向外离开或向内落到太阳上去。我们就会被冻死或者被烧死。事实上,在维数多于三维的空间中,引力随距离变化的同样行为意味着,太阳不可能由于压力和引力相平衡,而存在于一个稳定的状态,它若不被分解就会坍缩形成黑洞。在任一情况下,作为地球上生命的热和光的来源来说,它没有多大用处。在小尺度下,原子里使电子绕着原子核运动的电力行为正和引力一样,这样电子或者从原子逃逸出去,或者以螺旋的轨道落到原子核上去。在任一情形下,都不存在我们所知道的原子。


                看来很清楚,至少如我们所知,生命只能存在于一维时间和三维空间没被卷曲得很小的空间-时间区域里。这表明,只要人们可以证明弦理论至少允许存在宇宙的这样的区域——似乎弦理论确实能做到这一点,则我们可以用弱人择原理。同样,也会存在宇宙的其他区域或其他宇宙(不管那是什么含意),那里所有的维都被卷曲得很小,或者多于四维几乎是平坦的。但在这样的区域里,不会有智慧生物去观察这有效维数的不同数目。


                弦理论被欢呼为物理学的终极统一理论之前,除了空间-时间呈现出来的维的数目这一问题外,还有几个其他问题必须解决。我们还不能确定,是否所有的无穷大会被对消去,或如何准确地将弦的波动和我们所观测到的粒子的特殊类型相关联。尽管如此,很可能在几年的时间里,这些问题的答案就能找到了,并且到了本世纪末,我们将知道弦理论是否确实是长期梦寐以求的物理学的统一理论。


                但是,确实存在这样的一个统一理论吗?或者我们也许仅仅是在追求海市蜃楼。看来存在三种可能性:


                (1)确实存在一个完整的统一理论,如果我们足够聪明的话,总有一天将会找到它。


                (2)并不存在宇宙的最终理论,仅仅存在一个越来越精确地描述宇宙的无限的理论序列。


                (3)并不存在宇宙的理论;事件在一定程度之外不可能被预言,仅仅是以一种紊乱或任意的方式发生。


                有些人基于以下理由会赞同第三种可能,如果存在一套完整的定律,这将侵犯上帝改变其主意并对世界进行干涉的自由。这有点像那古老的二律背反:上帝能制造一个重到以至于它也不能将其举起的石块吗?但是上帝可能要改变主意的这一思想,这正如圣·奥古斯丁指出的,是一个想像上帝存在在时间里的虚妄的例子:时间只是上帝创造的宇宙的一个性质。可以设想,当它创造宇宙时它知道企图做什么!


                随着量子力学的发现,我们认识到,由于总存在一定程度的不确定性,不可能去完全精确地预言事件。如果有人愿意,他可以将此紊乱性归结为上帝的干涉。但这是一种非常奇怪的干涉:没有任何证据表明它具有任何目的。的确,如果它有目的,则按定义就不会是紊乱的。现代由于我们重新定义科学的目标,所以已经有效地排除了上述的第三种可能性:我们的目的只在于表达一套定律,这些定律能使我们在不确定性原理的极限内预言事件。


                第二种可能性,也就是存在一无限的越来越精确的理论序列,是和迄今为止我们的经验相符合。在许多场合我们增加了测量的灵敏度,或者进行了新的类型的观测,只是为了发现还没被现有理论预言的新现象,为了囊括这些,我们必须发展更高级的理论。现代的大统一理论预言:在大约100吉电子伏的弱电统一能量和大约1千万亿吉电子伏的大统一能量之间,没有什么本质上新的现象发生。所以,如果这个预言是错的话,人们并不会感到非常惊讶。我们的确可以预料,能够去找几个新的比夸克和电子——这些我们目前以为是“基本”粒子——更基本的结构层次。


                然而,看来引力可以提供这个“盒子套盒子”的序列的极限。如果人们有一个比1千亿亿(1后面跟19个0)

              吉电子伏的所谓普郎克能量更高能量的粒子,它的质量就会集中到如此的程度,以至于会脱离宇宙的其他部分,而形成一个小黑洞。这样看来,确实当我们往越来越高的能量去的时候,越来越精密的理论序列应当有某一极限,所以必须有宇宙的终极理论。当然,普郎克能量离开大约几百吉电子伏----目前在实验室中所能产生的最大的能量——非常远,我们不可能在可见的未来用粒子加速器填补其间的差距!然而,宇宙的极早期阶段是这样大能量应该发生的舞台。我以为,早期宇宙的研究和数学一致性的要求,很有可能会导致我们中的某些人在有生之年获得一个完整的统一理论。当然,这一切都是假定我们首先不使自身毁灭的前提下而言的。


                如果我们确实发现了宇宙的终极理论,这意味着什么?正如第一章所解释的,我们将永远不能肯定我们是否确实找到了正确的理论,因为理论不能被证明。但是如果理论是数学上协调的并且总是给出与观察一致的预言,我们便可以适度地有信心认为它是正确的。它将给人类为理解宇宙的智力斗争历史长期的光辉篇章打上一个休止符。但是,它还会改变常人对制约宇宙定律的理解。在牛顿时代,一个受教育的人至少在梗概上掌握整个人类知识。但从那以后,科学发展的节奏使之不再可能。因为理论总是被改变以囊括新的观察结果,它们从未被消化或简化到使常人能理解。你必须是一个专家,即使如此,你只能希望适当地掌握科学理论的一小部分。另外,其发展的速度是如此之快,以至于在中学和大学所学的总是有点过时。只有少数人可以跟得上知识快速进步的前沿,但他们必须贡献他们的毕生,并局限在一个小的领域里。其余的人对于正在进行的发展和它们产生的激动只有很少的概念。70年以前,如果爱丁顿的话是真的,那么只有两个人理解广义相对论。今天,成千上万的大学研究生能理解、并且几百万人至少熟悉这种思想。如果发现了一套完整的统一理论,以同样方法将其消化并简化,以及在学校里至少讲授其梗概,这只是时间的迟早问题。我们那时就都能够对制约宇宙的定律有所理解,并对我们的存在负责。


                即使我们发现了一套完整的统一理论,由于两个原因,这并不表明我们能一般地预言事件。第一是我们无法避免不确定性原理给我们的预言能力设立的极限。然而,更为严厉的是第二个限制。它是说,除了非常简单的情形,我们不能准确解出这理论的方程。(在牛顿引力论中,我们甚至连三体运动问题都不能准确地解出,而且随着物体的数目和理论复杂性的增加,困难愈来愈大。)除了在最极端状态下,我们已经知道规范物体行为的定律。特别是,我们知道作为所有化学和生物基础的基本定律。我们肯定还没有将这些学科归结为可解问题的状态;我们在从数学方程来预言人类行为上只取得了很少的成功!所以,即使我们确实找到了基本定律的完整集合,在未来的岁月里,仍存在着发展得更好的近似方法,使得我们在复杂而现实的情形下,能完成对可能结果的有用预言的、这一智慧的、富有挑战性的任务。一个完全的、协调的统一理论只是第一步,我们的目标是完全理解发生在我们周围的事件以及我们自身的存在。


第11章

              结论


              我们发现自己是处于使人为难的世界中。我们要为自己在四周所看的一切赋予意义并问道:什么是宇宙的性质?我们在它之中的位置如何,以及宇宙和我们从何而来?为何它是这个样子的?我们采用某种“世界图”来试图回答这些问题,如同无限的乌龟塔——一个支持平坦的地球是这样的一种图象一样,超弦理论也是一种图象。虽然后者比前者更数学化、更精确,但两者都是宇宙的理论。两个理论都缺乏观察的证据:没人看到一个背负地球的大龟,但也没有人看到超弦。然而,龟理论作为一个好的科学理论是不够格的,因为它预言了人会从世界的边缘掉下去。除非发现它能为据说在百慕达三角消失的人提供解释。这个预言和经验不一致!


              最早先在理论上描述和解释宇宙的企图牵涉到这样的思想,事件或自然现象是由具备人类感情的灵魂所控制,它们的行为和人类非常相像,并且是不可预言的。这些灵魂栖息在自然对象之中,诸如河流和山岳,包括诸如太阳和月亮这样的天体之中。它们必须被祈祷并供奉,以保证土壤的肥沃和四季的变化。然而,一些规律性逐渐地被注意到:太阳总是东升西落,而不管是否用牺牲去对之进贡。更进一步,太阳、月亮和行星沿着以被预言得相当精确的轨道穿越天穹。太阳、月亮仍然还可以是神祗,只不过是服从严格定律的神。如果你不将耶和华停止太阳运行之类的神话当真,则这一切显然是毫不例外的。


                首先,只有在天文学和一些其他情形下,这些规则和定律是显而易见的。然而随着文明的发展,特别是近300年期间,越来越多的规则和定律被发现。这些定律的成功,使得拉普拉斯在19世纪初主张科学的宿命论。他提议只要给定宇宙在某一时刻的结构,由给定的一组定律即能精确地决定它的演化。


                拉普拉斯的宿命论在两个方面是不完整的。它没讲定律应该如何选择,也没指定宇宙的初始结构。这些都留给了上帝。上帝会选择让宇宙如何开始并要服从什么定律,但是一旦开始之后它将不再干涉。事实上,上帝是被限制于19世纪科学不能理解的领域里。


                我们现在知道,拉普拉斯的宿命论的希望,至少在按照他头脑中的方式,是不能实现的。量子力学不确定性原理表明,某些诸如粒子的位置和速度的对偶的量,不能同时以完全的精确度去预言。


                量子力学通过一族量子理论来处理这种情形,粒子没有很好定义的位置和速度,而是由一个波来代表。它们给出了这波随时间演化的定律,在这种意义上,这些量子理论从属于宿命论。这样,如果某一时刻这个波是已知的,便可以将任一时刻的波算出。只是当我们试图按照粒子的位置和速度对波作解释之时,不可预见性的紊乱的要素才出现。但这也许是我们的错误:也许不存在粒子的位置和速度,只有波。只不过是我们企图将波硬套到我们预想的位置和速度的观念之中而已。由此导致的不一致乃是表面上不可预见性的原因。


                事实上,我们已经重新将科学的任务定义为发现能使我们在由不确定性原理设定的极限内预言事件的定律。然而,还存在如下问题:宇宙的定律和初始条件是如何及为何选取的?


                在本书中,我特别将制约引力的定律突出出来,因为正是引力使宇宙的大尺度结构成形,即使它是四类力中最弱的一种。引力定律和直到相当近代还被坚持的宇宙随时间不变的观念不相协调:引力总是吸引的这一事实意味着,宇宙必须或者在膨胀或者在收缩。按照广义相对论,宇宙在过去某一时刻必须有一无限密度的状态,亦即大爆炸,这是时间的有效起始。类似地,如果整个宇宙坍缩,在将来必有另一个无限密度的状态,即大挤压,这是时间的终点。即使整个宇宙不坍缩,在任何坍缩形成黑洞的局部区域里都会有奇点。这些奇点正是任何落进黑洞的人的时间终点。在大爆炸或其他奇点,所有定律都失效,所以上帝仍然有完全的自由去选择发生了什么以及宇宙是如何开始的。


                当我们将量子力学和广义相对论相结合,似乎产生了以前从未有过的新的可能性:空间和时间一起可以形成一个有限的、四维的没有奇点或边界的空间,这正如地球的表面,但有更多的维数。看来这种思想能够解释观察到的宇宙的许多特征,诸如它的大尺度一致性,还有像星系、恒星甚至人类等等小尺度的对此均匀性的偏离。它甚至可以说明我们观察到的时间的箭头。但是如果宇宙是完全自足的、没有奇点或边界、并且由统一理论所完全描述,那么就对上帝作为造物主的作用有深远的含义。


                有一次爱因斯坦问道:“在制造宇宙时上帝有多少选择性?”如果无边界假设是正确的,在选择初始条件上它就根本没有自由。当然,它仍有选择宇宙所服从的定律的自由。然而,实在并没有那么多的选择性;很可能只有一个或数目很少的完整的统一理论,它是自治的,并且允许复杂到像能研究宇宙定律和询问上帝本性的人类那样的结构的存在。


                即使只存在一个可能的统一理论,那只不过是一组规则或方程。是什么赋予这些方程以生命去制造一个为它们所描述的宇宙?通常建立一个数学模型的科学方法不能回答,为何必须存在一个为此模型所描述的宇宙这样的问题。为何宇宙陷入其存在性的错综复杂之中?是否统一理论是如此之咄咄逼人,以至于其自身之实现成为不可避免?或者它需要一个造物主?若是这样,它还有其他的宇宙效应吗?又是谁创造了造物主?


                迄今,大部分科学家太忙于发展描述宇宙为何物的理论,以至于没工夫去过问为什么的问题。另一方面,以寻根究底为己任的哲学家不能跟得上科学理论的进步。在18世纪,哲学家将包括科学在内的整个人类知识当作他们的领域,并讨论诸如宇宙有无开初的问题。然而,在19和20世纪,科学变得对哲学家,或除了少数专家以外的任何人而言,过于技术性和数学化了。哲学家如此地缩小他们的质疑的范围,以至于连维特根斯坦——这位本世纪最著名的哲学家都说道:“哲学仅余下的任务是语言分析。”这是从亚里士多德到康德以来哲学的伟大传统的何等的堕落!


                然而,如果我们确实发现了一套完整的理论,它应该在一般的原理上及时让所有人(而不仅仅是少数科学家)所理解。那时,我们所有人,包括哲学家、科学家以及普普通通的人,都能参加为何我们和宇宙存在的问题的讨论。如果我们对此找到了答案,则将是人类理智的最终极的胜利——因为那时我们知道了上帝的精神。

参考资料:
[1] 时间简史
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