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宇宙方程:揭示万能理论与宇宙意义的探寻

时间:2023-11-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:但仍然有个问题尚未解答:万能理论必须就宇宙的意义说些什么?时至今日,有关宇宙的意义和“造物主”的存在的问题仍然吸引着广大公众。按照爱因斯坦原来的理论,宇宙几乎为立即膨胀。因此,即使今天,托马斯·阿奎那的关于“原动力或第一原因”的宇宙学证据仍然有意义。尽管我们在理解生命和宇宙的起源方面取得了巨大进步,但800年前天主教神学家提出的问题在今天仍然有意义。宇宙是一个非常美丽、有序且简单的存在。

宇宙方程:揭示万能理论与宇宙意义的探寻

我们已经看到,人类对四种基本力的掌握不仅揭示了自然界的许多秘密,还激发了伟大的科学革命,改变了文明本身的命运。牛顿写下运动定律和引力定律,为工业革命奠定了基础。法拉第麦克斯韦揭示电磁力的统一性,推动了电气革命。爱因斯坦量子物理学家揭示了现实世界的概率特性和相对论本质,开启了当今高科技革命的序幕。

现在,我们可能正专注于统一这四种基本力的万能理论。我们暂时假设科学界已证实了这一理论,该理论已通过了严格的测试并被世界上的科学家普遍接受,那么,这将对我们的生活、我们的思维、我们的宇宙构想产生什么影响?

答案是,对我们生活的直接影响很小。万能理论的每个解都是一个完整的宇宙。因此,与理论相关的能量是普朗克能量,该能量比大型强子对撞机所产生的能量大四千万亿倍。万能理论的能量尺度与宇宙的创造黑洞的奥秘相关,与你我的个人事务无关。

该理论对我们生活的真正影响可能存在于哲学维度,因为它也许能回答困扰了几代伟大思想家的深刻的哲学问题,时间旅行、宇宙诞生之前发生了什么?宇宙来自何处?

正如伟大的生物学家托马斯·H.赫胥黎(Thomas H. Huxley)于1863年所说的,“在关于人类的所有问题中,这个问题比其他任何问题都重要,比其他任何问题都有趣,它关系到人在自然界中的地位及人与宇宙的关系的确定。”

但仍然有个问题尚未解答:万能理论必须就宇宙的意义说些什么?

爱因斯坦的秘书海伦·杜卡斯(Helen Dukas)曾说:“爱因斯坦对自己收到的恳求其解释生命意义并询问他是否信奉上帝的邮件不知所措。他无奈地回答了有关宇宙的目标的所有问题。”

时至今日,有关宇宙的意义和“造物主”的存在的问题仍然吸引着广大公众。2018年,爱因斯坦去世前写的一封私人信件被拍卖。290万美元的中标价令人震惊,远远超出了拍卖行的预期。

在这封及其他信件中,可以看出,爱因斯坦在回答有关生命意义的问题时缺乏信心,但他很清楚自己对上帝的看法。他写道,“实际上有两种神灵,我们经常把二者弄混淆。首先,存在着个人的上帝,你向之祈祷的上帝,是打击平庸之辈并奖励信徒的《圣经》之神……”他自己不相信那个上帝,他不相信创造宇宙的上帝会干涉凡人的事务。

但是,他相信斯宾诺莎的上帝,也就是美丽、简单而优雅的宇宙中的秩序之神。宇宙本初也许是丑陋的、随机的、混乱的,但与此相反的是,宇宙存在着一个隐蔽的、神秘而深刻的秩序。

打个比方,爱因斯坦曾经说过,他觉得自己像个孩子,正在进入一个巨大的图书馆。在他周围,有一堆一堆的书,包含了对宇宙奥秘的答案。实际上,他的人生目标是能阅读这些书籍中的几章。

但是,他没有回答这样一个问题:如果宇宙像一个巨大的图书馆,有图书馆员吗?谁写作了这些书?换句话说,如果所有物理定律都能用万能理论去解释,那么,该方程式又从何而来?

爱因斯坦思索的问题是:上帝在创造宇宙方面有过选择吗?

然而,当试图运用逻辑去证明或反驳上帝的存在时,答案变得模糊。例如,霍金不相信上帝。他写道,“大爆炸是在短暂的时间内发生的,上帝没有足够的时间来创造我们所看到的宇宙。”

按照爱因斯坦原来的理论,宇宙几乎为立即膨胀。但在多元宇宙论中,我们的宇宙不过是与一直不停出生的其他气泡宇宙共存的一个气泡。

如果是这样,那么,时间也许并非是随着大爆炸而突然出现的,在我们宇宙开始之前也许还有一段时间。每个宇宙都是在短暂的瞬间诞生的,但多元宇宙中的宇宙总体可以是永恒的。因此,万能理论没有解答上帝是否存在的问题。

然而,几个世纪以来,神学家尝试了相反的观点,以逻辑证明上帝的存在。13世纪伟大的天主教神学家托马斯·阿奎那(Thomas Aquinas)提出了关于上帝存在的五个著名证明,值得关注。

五个证明中的两个似乎多余,因此,我们可以将其简化为三个证明:

1. 宇宙学证明。事物之所以运动是因为它们被推动,即有什么东西促使它们运动。但是,促使宇宙运动的“原动力”或“第一原因”是什么?这一定是上帝。

2. 目的论证明。我们在周围的任何地方,都能看到复杂且精妙的物体。事实上,任何一个设计都需要设计师,首席设计师就是上帝。

3. 本体论证明。上帝,顾名思义,是可以想象的最完美的存在。人们可以想象一个不存在的上帝。但是,如果上帝不存在,他也就不会完美。因此,他必须存在。

这些关于上帝存在的证明持续了数个世纪。直到19世纪,伊曼努尔·康德才在本体论证明中发现了一个缺陷,因为行为和存在是两个独立的类别,达到完美并不一定意味着必须存在。

根据现代科学和万能理论,我们有必要重新检查其中的两个证明。对目的论证明的分析很简单。我们环顾四周的每个地方,都会看到复杂的物体。经过仔细思考,我们会发现,周围的生命形式是复杂的,它能通过进化加以解释。只要有足够的时间,偶然机会就可以通过适者生存的生存竞争推动进化,因此,复杂程度较低的设计会随机产生更复杂的设计。生命的首席设计师并不是必需的。

对宇宙学证明的分析就不那么清楚了。今天的物理学家可以回放录像带,并证明宇宙始于促使宇宙运动的大爆炸。但是,要回到大爆炸之前,我们必须应用多元宇宙理论。假设多元宇宙理论解释了宇宙大爆炸的起源,人们不得不问:多元宇宙从何而来?最后,如果有人说多元宇宙是万能理论的逻辑结果,那么,我们不得不问:万能理论又从何而来?

此时,物理学停止了,形而上学开始了。物理学对物理定律本身从何而来没有任何评论。因此,即使今天,托马斯·阿奎那的关于“原动力或第一原因”的宇宙学证据仍然有意义。

对称性可能是任何万能理论的关键特征,但这种对称性从何而来?这种对称性也许是深刻的数学真理的副产品,但数学真理又从何而来?在这个问题上,万能理论再次沉默。

尽管我们在理解生命和宇宙的起源方面取得了巨大进步,但800年前天主教神学家提出的问题在今天仍然有意义。

宇宙是一个非常美丽、有序且简单的存在。令人震惊的是,可以在一张纸上总结出实体宇宙的所有已知定律。

这张纸包含了爱因斯坦的相对论。标准模型则更为复杂,占据了页面的大部分内容,涵盖种类繁多的亚原子粒子。亚原子粒子可以描述已知宇宙中的所有事物,从质子内部深处到可见宇宙的边界。

考虑到这一纸公式的简洁性,很难避开下述结论,“所有这些都是事先计划好的,其优雅的设计展现了宇宙设计师的精湛手艺。”对我来说,这是关于上帝存在的最有力的论据。

但是,我们理解世界的基础是科学,科学必须基于可检验、可再现、可证伪的事物,这是底线。在文学批评中,随着时间的推进,事情变得越来越复杂,分析者总是不断提出詹姆斯·乔伊斯(James Joyce)的话。在物理学的发展中,随着时间的推进,一切变得越来越简单,直到一切归于少数方程式的结果。我觉得这很了不起,但科学家通常不愿承认科学领域之外的东西。

例如,假设我们要反驳独角兽的存在。我们搜寻了地球的大部分表面,未见独角兽,但这不能否定某日可能在未被发现的岛屿或洞穴中见到独角兽。因此,不能否定独角兽存在的可能性。这意味着从现在开始至一百年后,人们仍将辩论上帝的存在和宇宙的意义。因为这些概念是不可检验的,所以无法确定,它们不在普通科学领域之内。

同样,即使我们在外太空的所有旅行中从未遇到过上帝,但不能否定上帝在我们未曾探索过的地区有机会存在。

因此,我是一个不可知论者。我们刚刚触及了宇宙的表面,此时对整个宇宙的本质做出远超人类仪器能力范围的声明未免有点自以为是。(www.xing528.com)

人们必须面对托马斯·阿奎那的证明,必须有原动力。换句话说,一切源自哪里?即使宇宙是根据万能理论开始的,万能理论又源自哪里?

万能理论之所以存在,是因为它是唯一在数学上自洽的理论。所有的其他理论在本质上都存在缺陷或在数学上不自洽。我相信,如果你从另一种理论入手,最终你会证明出2+2=5,即这些理论存在矛盾。

我们记得,搜寻万能理论也有很多障碍。当向某个理论中添加量子修正时,我们发现,该理论通常会由于无穷大的发散性而失效,又或者原始的对称性由于出现奇异性而遭到破坏。我相信,也许只有一种解答能满足这些限制条件。这个判据在所有的可能中确定了万能理论。宇宙无法存在于十五维时空中,因为这样的宇宙将遭受上述致命的缺陷的困扰。[在十维弦理论中,当我们计算量子修正时,它们通常包含(D-10)项,D是时空的维度。显然,如果将D设置为10,令人担忧的异常现象会消失。如果将D设置为非10,会发现一个充满矛盾的替代宇宙,违反数学逻辑。同样,当添加膜并使用M-理论进行计算时,你会发现其包含因数(D-11)。因此,在弦理论中,只有一个自洽宇宙满足2+2=4,即十维或十一维弦理论。]

现在,这也许能回答爱因斯坦在寻求万能理论时提出的问题:上帝在创造宇宙方面有过选择吗?宇宙是唯一的,还是有多种存在形式?

如果我的想法是正确的,将只有一个方程式可以描述宇宙,因为其他方程式无法在数学上自洽。

因此,宇宙的终极方程是唯一的。这个主方程可能有无数个解,为我们提供了解的概貌,但方程本身是唯一的。

这为另一个问题提供了一些启示:为什么是有些什么,而不是什么都没有?

在量子理论中,没有绝对的“虚无”。我们已经知道,不存在绝对黑度,黑洞实际上是灰色的且必然会被蒸发。同样,在处理量子理论时,我们发现最低能量不是零。例如,绝对零度无法达到,因为处于最低量子能态的原子仍在振动。(同理,根据量子力学,你无法在量子力学意义上达到零能量,因为你仍然具有零点能量,即最低能级的量子振动。零振动状态将违反不确定性原理,因为零能量是不确定性为零的状态,这不被允许。)那么,大爆炸是从哪里来的呢?最有可能的是虚无中的量子涨落。在虚无或纯净的真空中,甚至会泛起泡沫——物质-反物质粒子对不时地从真空中跳出,然后又坍缩回真空中。

霍金将其称为时空泡沫,这种由微小气泡宇宙组成的泡沫不断弹出又不断消失并回到真空中。我们从未见过这种时空泡沫,因为它们比原子还细小。有时,这些气泡中的某个不会消失回到真空中,而是继续扩张直至膨胀并创建一个宇宙。

那么,为什么是有些什么,而不是什么都没有呢?因为我们的宇宙最初起源于虚无中的量子涨落。与无数的其他气泡不同,我们的宇宙从时空泡沫中跳出并继续膨胀。

万能理论会告诉我们生命的意义吗?几年前,我看到了一张奇怪的海报。我承认它忠实地表述了超引力方程的所有细节,充分体现了它们的数学魅力。但是,方程式的每一项都附有箭头,上面写着“和平”“宁静”“团结”“爱”……

换句话说,生命的意义被嵌入到万能理论的方程式中。

我个人的观点是,物理学方程中纯数学的某一项不可能等同于爱或幸福。

然而,我相信,万能理论可能对宇宙的意义有一定的启示。小时候,我接受的是长老会教育,但我的父母是佛教徒。事实上,两种伟大的宗教对“造物主”有着截然相反的观点。在基督教教堂里,上帝在某一瞬间创造了世界。大爆炸理论的奠基人之一,天主教神学家和物理学家乔治·勒梅特(Georges Lemaître)认为,爱因斯坦的理论与《创世纪》兼容。

然而,佛教中没有上帝,宇宙没有开始或结束,只有永恒的涅槃。

那么,如何解决这两个截然相反的观点?宇宙要么有一个起点,要么没有,没有回旋的余地。

实际上,多元宇宙理论提供了观察这种矛盾的一种全新的视角。

也许,我们的宇宙确实有一个起点,有如《圣经》中的描述。但根据膨胀理论,大爆炸也许一直在发生,形成了宇宙的泡泡浴。也许,这些宇宙正在一个更大的舞台(超空间的涅槃)膨胀开来。因此,我们的宇宙有一个起点,它是一个三维气泡,漂浮在一个巨大的十一维涅槃时空中,其他宇宙也不断在其中产生。

因此,多元宇宙的思想使人们可以将基督教的创世神话与佛教的涅槃结合起来,成为与已知物理定律兼容的单一理论。

最后,我相信,我们会在宇宙中找到属于自己的意义。

生命的意义在于我们必须努力去理解和欣赏一些东西。如果将它直接交给我们,不劳而获会破坏理解生活的意义这个目标。如果可以不付出任何代价就能获知生命的意义,那它本身也将失去意义。一切有意义的事物都是奋斗和牺牲的结果,也是值得为之而奋斗的目标。

宇宙最终会死亡,从某种程度上说,物理学可为宇宙死亡提供论据。

尽管人们对宇宙的意义和目的进行了许多学术上的讨论,但也许都是徒劳,因为宇宙注定要死在一场“大冷冻”中。根据热力学第二定律,封闭系统中的所有物体最终必然解体。事物的自然顺序如此,最终不复存在。似乎不可避免的是,所有事物都必定随着宇宙本身的死亡而死亡。因此,当宇宙本身死亡时,我们赋予宇宙的任何意义都将被抹去。

不过,也许量子理论与相对论的结合再次提供了一个例外。我们说过,热力学第二定律判定一个封闭系统中的宇宙最终注定灭亡,关键词是封闭。在一个开放的宇宙中,能量可以从外部进入,因此可以逆转第二定律。

例如,空调似乎违反了第二定律,因为它吸收了混乱的热空气并将其冷却。但是,空调从外部的泵中获取能量,因此不是封闭系统。同样,地球上的生命似乎也违反了第二定律,因为仅需9个月就能将汉堡包和炸薯条转化成生命,这确实是一个奇迹。

那么,地球为什么会有生命?因为我们有外部能源——太阳。地球不是一个封闭系统,因此阳光可以使我们从中汲取能量,从而创造出喂养婴儿所需的食物。因此,热力学第二定律有一个例外,阳光使得向更高形式的进化成为可能。

同理,我们可以利用虫洞打开通往另一个宇宙的大门。我们的宇宙似乎是封闭的。但有一天,也许宇宙即将灭亡,我们的后代也许能利用先进的设备输送足够的正能量,以打开一条穿越时空的隧道,然后使用负能量(来自卡西米尔效应)稳定通道。有一天,我们的后代将掌握普朗克能量,即能使空间和时间变得不稳定的能量,并利用其强大的技术让我们逃离垂死的宇宙。

这样,量子引力不再是十一维时空中的数学练习,而变成了跨维度的宇宙救生艇,使智能生命能够规避热力学第二定律并逃逸到更温暖的宇宙中。

因此,万能理论不仅是一种美丽的数学理论,还可能是人类实现终极自救的唯一途径。

对万能理论的探索使我们开始寻找宇宙最根本的对称性、统一万物的对称性。从夏日微风的温暖到落日余晖,我们在周围看到的对称性只是时间之初出现的原始对称性的一部分。在大爆炸的瞬间,超力的原始对称性被打破,而今日我们在大自然中能看到的都是原始对称性的残余。

我喜欢设想,也许,我们就像是生活在神话般的二维国平地上的二维人,无法将第三维形象化,我们将第三维视为一种迷信。初期,由于某种原因,曾有一个美丽的三维晶体变得不稳定并破碎成一百万块,落在二维国的平地上。几个世纪以来,二维人一直试图将这些碎片重新组装,就像拼图游戏。随着时间推移,他们终于将碎片拼成了两个大块:一块称为引力,一块称为量子理论。不过,无论如何努力,二维人总是无法将这两部分拼在一起。突然,有一天,一个有进取心的二维人提出了一个离谱的猜想。他说,“为什么不使用数学将其中一块提升到虚拟的第三维,一块叠加在另一块的上面,以便于它们可以相互组合?”他的话引起了其他二维人哄堂大笑。然而,当这个操作完成后,二维人惊讶了,它们以完美、辉煌的对称性突然呈现在他们眼前。

就像史蒂芬·霍金所写,“某日,如果我们发现了完整的理论,应该及时地让每个人从广义上去理解它,而不是局限在少数科学家的世界。这样,我们所有人(哲学家、科学家、普通大众)都能参加讨论,讨论我们和宇宙为什么存在。如果我们找到了答案,那将是人类智慧的终极胜利,因为那时的我们将真正了解上帝的心意和想法。”

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