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上帝与新物理学

时间:2014-02-24 22:44:08  来源:  作者:保罗·戴维斯  [ 下载本书 ]
简介:上帝是什么、存在吗?宇宙何以存在?世界的本质是什么?,,,,诸如此类的问题在本书中将进行深入细致的讨论。《上帝与新物理学》不是谈宗教的书。《上帝与新物理学》谈的是新物理学——从牛顿经典力学到相对论再到量子力学再到大统一理论——对以前的属于宗教的问题产生的影响。《上帝与新物理学》也不是一纯科学的书。《上帝与新物理学》从哲学的角度发问,是关于科学及其广泛含义的书。...
  这里可以用一个形象进行说明。有个造物主带有一根别针。他前面摆着一大串各种宇宙供他挑选,其中每种宇宙都以其初始状态作其标记。假如这位造物主把别针胡乱别在一个宇宙上,就这样挑出一个宇宙,那么,极有可能的是,他所选择的宇宙是高度无序的,没有可观的结构或组织。事实上,这位造物主若想发现一个有序的宇宙,就必须在一大堆“模型”中进行搜索,而这些“模型”的数目又如此之大,以致在一张大如可见的宇宙的纸张上也写不下来。
  宇宙是如何进入其低熵状态的?这个谜牵动了好几代物理学家和宇宙学家的想象力,他们当中很多人一直不愿意求助于上帝的选择来解决这一问题。统计热力学的先驱路德维希·波尔兹曼宁愿认为是盲目的机缘使宇宙进入了低熵的状态。他认为,宇宙的有序状态是由一些对平衡状态的偏离之间的协作造成的。这些偏离十分罕见,罕见得无法想象。他立论的基础是这一事实:即使是在平衡的状态中,气体分子也不是安然不动的,而是不停地以一种随机的方式四处冲撞。可以时时发现,一些分子由于纯粹的巧合而处于无意的合作状态之中,在一个极短的时间里,浑沌的大洋里会出现一小块有序的飞地。加倍放大时间尺度,人们便可以相信更大的协作区域将会偶然地最终出现。假如给宇宙足够的时间,那么,人们就可以设想迟早会偶然地形成所有的恒星,所有的星系。出现这种不可能得近乎荒唐的事件所需的时间长得不可想象(至少得要101080年),不过这没有什么要紧的,假如人们愿意相信宇宙的年龄无限的话。
  照这种观点来看,宇宙在全然混沌没有任何组织的状态之中度过了其绝大部分时间。但是经过长得说不上来的间隔之后,宇宙间会出现几十上百亿年的偶然的秩序。我们人类之所以能亲眼看到这种极其不可能的事,只是因为若没有这样的“奇迹”,生命就不可能存在。因为生命是以负熵为生的(见第五章),有意识的观察者就只能存在于宇宙发生“奇迹”、偏离平衡状态的时期。
  波尔兹曼的推理有一个有趣的副产品,这就是它断言存在着某种形式的永恒。可以从数学上证明,使宇宙充满能量的分子的无间歇的往复运动具有下面奇特的特征。随着分子四处乱撞,宇宙也进入一个又一个的状态。最后,所有可能存在的状态都会被宇宙进入过一遍,就是说,任何可能会发生的事迟早都会发生。然后,宇宙间的物质继续排列组合,宇宙就会开始重新进入先前有过的状态。最后,所有的状态都会被重新进入过一遍,于是,这样的过程就这样持续不已。这种无限重复和复制的现象被称作彭加勒循环,因为是彭加勒这位数学物理学家证明了这个结果(至少,他证明一个理想的模型会有这种结果)。假如从字面上看,彭加勒定理便意味着,在无限充足的时间里,行星地球消失之后,还会重新组合起来,并且连带着住在地球上的居民!而且,这样的事会发生无限次。但是,这种大致精确的复制每发生一次,就会有无数次偏离目前的排列的情况。复制得越是精确,几率也就越小,等的时间也就越长。
  波尔兹曼对宇宙成因的解释,没有几个物理学家愿意相信。彭加勒所证明的循环的基本机制虽没有受到怀疑,但人们现在知道,宇宙并不是在那里混日子,任其物质随机组合排列。宇宙现在处于一种全面的膨胀状态。人们普遍认为,宇宙的这种全面的膨胀迫使宇宙具有有限的年龄。宇宙区区几百亿年的年龄,比起能够产生一点点熵值降低所需的时间,完全是沧海一粟,不值一提。
  不过,波尔兹曼的观点确实提出了一个具有永久价值的重要问题。我们所感知的宇宙必然是由我们选择的。因为生命以及由生命而来的意识起码要在合适的物理条件下才能发展起来。明确地说,我们不可能观察一个没有人居住的宇宙。我们马上就会看到,有些人一直利用这一简单的事实来说明,我们所观察的极不可能的低熵宇宙是从众多可能的宇宙中选择出来的(几乎所有的可能的宇宙都是无序的);但进行选择的是我们,不是上帝。
  因而,假如承认有过大爆炸,那么,我们看来就只能认为宇宙是以一种少见的有序方式爆炸的,尽管从大得实际上是必然的概率上看,一次偶然的宇宙创生过程会造成一个全然无序的宇宙。宇宙学的这一基本的悖论引发了好几个不同的反应:
  一、理所当然论
  很多科学家倾向认为,从一种归纳的基础出发讨论概率、随机性以及可能性是无意义的。假如你在海边随便拣到一块卵石,仔细测量它的尺寸、形状,你就会正确地得到这样的结论:你挑选到具有如此尺寸的卵石的概率极小。但假如你进一步说你进行了这样的挑选必定是一个奇迹,或说某种超自然的或神秘的东西引导着你进行了这样的选择,那你可就不对了。因为,你在事后,在拣到这卵石之后再说这样的话是一点也不能令人信服的。当然,假如你所拣到的卵石的尺寸是事先说好的,你是有理由惊奇的。同样我们也可以说,只要宇宙存在,就不必对它特有的结构感到惊奇,因为它就是这个样子。
  有一个与此相关的问题是,至少按一种概念看来,概率从定义上讲是与试验的集合相关的。例如,所谓掷骰子掷出“2”来的概率是6分之1,就是说掷过很多很多次后;得“2”的次数差不多是掷的总次数的6分之1。试验的次数越大,得2的次数与掷的总次数的比例就越接近6分之1这个值。至少,我们就概率所进行的讨论的主题肯定是由一些相似的东西构成的集合的一个成员。例如,骰子的一个面有5个邻面,海边的那块卵石有几百万个面。那么,假如宇宙只有一个,我们来讨论它的可能性又能有什么意义呢?
  不过,上面所说的推论不能完全令人信服。假如拣到的那块卵石是完全规则的球形,那么,即使事先没有说好其球形的性质,我们也有理由感到惊奇。因为球形是一种很特殊的形状,它有一个特点,即具有高度的数学规则性。随机地选到一个完全是圆球形的卵石,即使是在事后,也会被认为是罕见的,是应当进行某种解释的。同样,一个适于人类居住的宇宙,对我们这些在绝大多数其他可能的宇宙中不存在的人类来说具有一种特殊的意义:其他可能的宇宙是不能住人的。
  对此,持“理所当然”观点的人回答道,假如宇宙当初不是现在这个样子的话,我们也就不会在这里大发惊奇之语了。实际上,任何一个智能生物可在其中提出哲学问题和数学问题的宇宙,不管从演绎的角度看是多么地罕见,也必定是一种我们所观测到的宇宙。换言之,持“理所当然”观点的人认为,我们所感知的高度有序的宇宙并没有什么不同寻常,并不神秘,因为假如它不是现在这个样子的话,我们就不可能(明确地)感知它。
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