導(dǎo)讀：愛(ài)因斯坦曾做過(guò)一個(gè)精彩的比喻：宇宙就像是一個(gè)打不開(kāi)的表殼，你只能站在外面，猜測(cè)這個(gè)表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)作機(jī)制。所謂的客觀性、實(shí)在性，不過(guò)是一套自洽的、跟觀測(cè)一致的主觀邏輯模型而已。
1927年，比利時(shí)布魯塞爾的第五次索爾會(huì)議上，
愛(ài)因斯坦和玻爾展開(kāi)激烈辯論。
我們離真理究竟有多遠(yuǎn)？
（之二）
文 | 立峰
（接上文）
5、普朗克、玻爾、波恩、海森堡
即便偉大如牛頓，用他的經(jīng)典物理，直接將人類(lèi)帶入了現(xiàn)代社會(huì)，那又如何？幾百年間屹立不倒的牛頓經(jīng)典力學(xué)，卻被瑞士專(zhuān)利局的一個(gè)26歲小職員愛(ài)因斯坦，一舉顛覆，而他憑借的，不過(guò)是在頭腦中做的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。
就算智慧如愛(ài)因斯坦，用讓人腦洞大開(kāi)、打破常識(shí)的相對(duì)論，推翻了幾百年來(lái)，牢牢占據(jù)常人觀念的絕對(duì)時(shí)空觀，為宇宙的時(shí)空賦予了形狀，但那又如何？在關(guān)于量子力學(xué)的大辯論中，愛(ài)因斯坦也一樣敗下陣來(lái)。
科學(xué)史上的每一次重大的發(fā)現(xiàn)，都是理性對(duì)于常識(shí)的顛覆，哥白尼提出日心說(shuō)是這樣，愛(ài)因斯坦提出相對(duì)論同樣如此。似乎所有常識(shí)，都只是用來(lái)被后人推翻的。人類(lèi)不斷探索宇宙自然的過(guò)程，亦是一次次突破定勢(shì)、打破常識(shí)的過(guò)程。
20世紀(jì)初，關(guān)于量子力學(xué)的種種新發(fā)現(xiàn)、新學(xué)說(shuō)，無(wú)一不讓人感覺(jué)匪夷所思、違反常識(shí)，奇葩得連愛(ài)因斯坦都無(wú)法接受。在與玻爾Niels Bohr的著名論戰(zhàn)中，愛(ài)因斯坦至死都堅(jiān)持認(rèn)為：“上帝是不會(huì)擲骰子的”。
而玻爾卻針?shù)h相對(duì)，毫不客氣地反駁當(dāng)時(shí)已經(jīng)名滿(mǎn)天下的愛(ài)因斯坦：“愛(ài)因斯坦先生，請(qǐng)您不要告訴上帝他應(yīng)該怎么做。”
1911年第一次索爾會(huì)議，中間的居里夫人低頭討論問(wèn)題，
鏡頭都懶得看；而愛(ài)因斯坦(右二)當(dāng)時(shí)還只是無(wú)名小卒，
只能站在邊邊上。
以愛(ài)因斯坦和玻爾為代表，薛定諤Schr?dinger、波恩Max Born、海森堡Heisenberg等，這些物理學(xué)史上金光閃閃的天才，全都投入到了量子力學(xué)的大論戰(zhàn)中。論戰(zhàn)的結(jié)果十分明確：愛(ài)因斯坦錯(cuò)了，量子力學(xué)是正確的，上帝的確擲骰子。
而當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界，無(wú)疑是決定論的天下。
自從伽利略和牛頓道出了世間萬(wàn)物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，人類(lèi)好像一下成了世界的主宰，不但能準(zhǔn)確計(jì)算所有物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，還能精準(zhǔn)預(yù)言日食的時(shí)間。宇宙就像一臺(tái)精密的機(jī)器，所有的零件都按部就班，因果關(guān)系如此清晰，人只要掌握足夠規(guī)律，及足夠的測(cè)量、計(jì)算能力，整個(gè)宇宙就能盡在掌握。
這在哲學(xué)上叫做決定論，是很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，人們理解世界的方式。
但科學(xué)家研究微觀粒子時(shí)卻發(fā)現(xiàn)，粒子的運(yùn)動(dòng)卻完全不合常理。你即使掌握了電子的初始狀態(tài)，擁有強(qiáng)大的計(jì)算工具，考慮了所有可能因素，電子的位置仍無(wú)法被預(yù)言。
這并非能力不足，而是微觀粒子從根本上就無(wú)法被預(yù)測(cè)。量子力學(xué)，不是推翻了某條規(guī)律，而是徹底推翻了整個(gè)決定論系統(tǒng)，顛覆了全部的物理學(xué)基礎(chǔ)。
普朗克在關(guān)于黑體輻射的研究中，提出了量子假設(shè)，即能量不能被無(wú)限分割，而是必須有一個(gè)最小單位，即量子，于是便誕生了量子論。
但這也直接否定了微積分關(guān)于連續(xù)性和平滑性的假設(shè)，動(dòng)搖了牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁學(xué)，因?yàn)閮烧叨冀⒃谖⒎e分連續(xù)性的基礎(chǔ)上。量子論一下抽走了經(jīng)典物理學(xué)大廈的地基。
波恩的電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證明，微觀粒子的位置，是無(wú)法確定、隨機(jī)分布的；人們能夠掌握的，只有粒子的出現(xiàn)概率。在量子力學(xué)中，概率是深藏在世界底層的根本性質(zhì)，一切都是擲骰子決定的。
波恩的結(jié)論是，即便給出全部的條件，也無(wú)法預(yù)測(cè)結(jié)果。而海森堡進(jìn)一步用不確定性原理證明，就連給出條件都做不到。因?yàn)閴焊鶅翰淮嬖谝粋€(gè)位置和速度完全確定的電子。而且，觀測(cè)行為本身會(huì)對(duì)粒子造成干擾，從而影響觀測(cè)結(jié)果。
在量子的世界里，并沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)客觀的實(shí)體，電子或光子也沒(méi)有客觀的速度和位置，只有測(cè)量得到的物理量，并且測(cè)量結(jié)果與測(cè)量方式有關(guān)。如果不進(jìn)行測(cè)量，粒子的狀態(tài)根本沒(méi)有意義；只有可被測(cè)量的物理量才是有意義的。
經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，世界是客觀實(shí)在的。即使人類(lèi)對(duì)世界還無(wú)法擁有一個(gè)清晰全面的認(rèn)識(shí)，那也是人自己的問(wèn)題；世界本身的客觀實(shí)在性，是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的。即“客觀實(shí)在論”。
但在量子力學(xué)中，人們無(wú)法研究一個(gè)所謂客觀實(shí)在的世界，無(wú)法了解宇宙的客觀本質(zhì)，我們只知道自己觀測(cè)到的宇宙的樣子。任何事物，只有在被觀測(cè)的時(shí)候才有意義。
客觀實(shí)在論被瞬間打破、嚴(yán)格的因果關(guān)系蕩然無(wú)存、統(tǒng)治科學(xué)界幾百年的決定論被徹底推翻、概率深藏在宇宙的底層——一切實(shí)驗(yàn)結(jié)果都清楚表明，上帝的確擲骰子。
難怪量子物理學(xué)家費(fèi)曼RichardFeynman說(shuō)：沒(méi)有人能夠真正理解量子力學(xué)。
故事發(fā)展至此，曾被預(yù)言即將唾手可及的真理，竟又全然不知所蹤，人類(lèi)離真理的距離，一下變得遙不可及。
6、史蒂文·霍金
《時(shí)間簡(jiǎn)史》
這下，我們終于要開(kāi)始講霍金StephenHawking啦。
在20世紀(jì)以前，人們都普遍相信，宇宙是靜止的。愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中提出時(shí)空可以彎曲；但根據(jù)他的“愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程”，宇宙并不是靜止的，愛(ài)因斯坦總覺(jué)得是哪里搞錯(cuò)了，于是就在方程里強(qiáng)行添加了一個(gè)宇宙常數(shù)，讓宇宙看上去好像是靜止的。
1916年提出的“愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程”：
R_uv-1/2*R*g_uv=κ*T_uv
經(jīng)過(guò)修改后的“愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程”：
R_uv-1/2*R*g_uv+Λ*g_uv=κ*T_uv
其中Λ是宇宙常數(shù)，其物理意義是宇宙真空?qǐng)觥?/span>
但事實(shí)上，20世紀(jì)早期科學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)到的恒星都正在遠(yuǎn)離地球；直到1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃Edwin Hubble，發(fā)現(xiàn)了恒星遠(yuǎn)離的速度與距離間的確定關(guān)系，即“哈勃定律”，給宇宙膨脹提供了證據(jù)。
于是，蘇聯(lián)科學(xué)家弗里德曼以愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論為基礎(chǔ)，提出描述宇宙膨脹的弗里德曼模型。在這個(gè)模型中，宇宙誕生于大約150億年前的奇點(diǎn)。奇點(diǎn)的體積無(wú)限小，而彎曲程度、密度、引力都無(wú)限大。
后來(lái)愛(ài)因斯坦不得不承認(rèn)，宇宙常數(shù)是他一生犯下的最大錯(cuò)誤。
電影《萬(wàn)物理論》飾演霍金的“小雀斑”Eddie Redmayne，
他因此獲得了87界奧斯卡最佳男主角獎(jiǎng)。
上面的故事來(lái)自霍金《時(shí)間簡(jiǎn)史》A BreifHistory of Time。悖論的是，雖然弗里德曼模型是根據(jù)廣義相對(duì)論提出的，但包括廣義相對(duì)論在內(nèi)的所有理論，卻一起在奇點(diǎn)處失效了。廣義相對(duì)論預(yù)言了自身的坍塌。
奇點(diǎn)剛被提出時(shí)，很多科學(xué)家包括愛(ài)因斯坦，都不太相信這個(gè)說(shuō)法，霍金在學(xué)術(shù)上的重大貢獻(xiàn)之一，恰恰在于與數(shù)學(xué)家彭羅斯Roger Penrose一起，用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)方法證明，如果廣義相對(duì)論的確成立，而且宇宙中被觀測(cè)到的恒星和星系等確實(shí)存在，那么宇宙就一定誕生于一個(gè)奇點(diǎn)。
這個(gè)理論被稱(chēng)為彭羅斯-霍金奇點(diǎn)定理。宇宙和時(shí)間本身都開(kāi)始于這個(gè)奇點(diǎn)，以及隨之而來(lái)的宇宙大爆炸。
大爆炸奇點(diǎn)，實(shí)在是一個(gè)太過(guò)特殊的存在，難道我們這個(gè)宇宙真的是上帝創(chuàng)造的嗎？人類(lèi)是否只能把宇宙的起源問(wèn)題排除在科學(xué)之外，把它交給宗教去解決？
霍金的奇點(diǎn)定律成立的前提，是廣義相對(duì)論的成立。但事實(shí)證明，廣義相對(duì)論依舊是個(gè)不完全的理論，而霍金認(rèn)為，在大爆炸的一刻，必須引入量子力學(xué)。于是霍金提出了他自己的理論模型，即無(wú)邊界宇宙模型。
《果殼中的宇宙》
莎士比亞的《哈姆雷特》中有一句臺(tái)詞說(shuō)：即使把我關(guān)在果殼之中，仍然自以為無(wú)限空間之王。I could be bounded in a nutshell and count myself aking of infinite space.
也許莎士比亞想要描寫(xiě)的是人類(lèi)的傲慢，而在霍金看來(lái)，這卻恰好符合了宇宙的現(xiàn)實(shí)。
霍金認(rèn)為，宇宙的歷史也是果殼狀的，所以霍金把繼《時(shí)間簡(jiǎn)史》之后的著作起名為《果殼中的宇宙》The Universe in a Nutshell。
所有物理定律在宇宙誕生的奇點(diǎn)均告失效，而奇點(diǎn)根本無(wú)從研究，因此我們無(wú)法知道大爆炸那刻究竟發(fā)生了什么，宇宙的開(kāi)端究竟是怎樣的？
愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，為時(shí)空賦予了形狀；而霍金則決定，用他長(zhǎng)期研究的“時(shí)間”作為切入點(diǎn)，為宇宙的歷史賦予形狀。
為了解決宇宙起源問(wèn)題，霍金用數(shù)學(xué)方法引入了虛時(shí)間的概念，提出無(wú)邊界宇宙模型。
在這個(gè)模型中，宇宙是個(gè)四維的球狀時(shí)空，時(shí)間和空間交織在一起；這個(gè)宇宙，是有限無(wú)界的，即在范圍上有限、但卻沒(méi)有邊界；這個(gè)宇宙也沒(méi)有奇點(diǎn)，因此不存在起源的問(wèn)題，完全自給自足，也不需要上帝來(lái)創(chuàng)造。
這樣一來(lái)，上帝好像真的成了一個(gè)瀕危物種。
(所謂的“有限無(wú)界”，可以通過(guò)類(lèi)似地球的球體表面來(lái)理解。從地球表面某個(gè)點(diǎn)開(kāi)始，無(wú)論向哪兒移動(dòng)，都不可能走到地球外面去；而地球的表面又有確定的范圍，不是無(wú)限的。)
那么，什么是虛時(shí)間呢？
愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中，把時(shí)間和三維空間合并起來(lái)組成四維時(shí)空。物質(zhì)可以在三維空間任意移動(dòng)；但在時(shí)間維度上，只能從過(guò)去走向未來(lái)，做單向移動(dòng)。
霍金通過(guò)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，把虛時(shí)間在數(shù)學(xué)上等價(jià)于空間，虛時(shí)間就像時(shí)間的投影，相當(dāng)于空間的第四個(gè)方向。這有點(diǎn)兒像量子物理學(xué)家費(fèi)曼Feynman提出的多重歷史思想。
因?yàn)榱孔恿W(xué)中的粒子，從A點(diǎn)到B點(diǎn)的軌跡，并不是確定的，而是具有多重可能性。虛時(shí)間，就是讓宇宙的歷史，也具有了多種可能性。
在虛時(shí)間的幫助下，霍金為宇宙的歷史賦予了形狀。
宇宙在虛時(shí)間中的歷史，可以被看作一個(gè)封閉的四維球面，而上面的每個(gè)點(diǎn)都遵循物理規(guī)律。好像即便我們?cè)O(shè)定地球的南極點(diǎn)就是宇宙的開(kāi)端，但是這個(gè)點(diǎn)與其它點(diǎn)沒(méi)有任何不同，遵從同樣的物理規(guī)律。
在霍金看來(lái)，現(xiàn)有的這個(gè)包含了智慧生命的宇宙，在虛時(shí)間中的歷史，并不是一個(gè)完美的球面，而有稍微的變形和起伏，像極了一個(gè)充滿(mǎn)褶皺的果殼。
這樣一來(lái)，它所對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)間中的宇宙，就可以同樣從暴脹開(kāi)始，當(dāng)膨脹速度逐漸緩慢，這些稍微的起伏不均，才能使爆炸產(chǎn)生的物質(zhì)和粒子有機(jī)會(huì)相遇結(jié)合，也才有了恒星、行星、以及智慧生命等形成的機(jī)會(huì)。而我們正像哈姆雷特，生活在一個(gè)虛擬的果殼之中。
當(dāng)然，現(xiàn)在主流觀點(diǎn)還是宇宙大爆炸模型。霍金的無(wú)邊界宇宙模型，試圖把量子力學(xué)和相對(duì)論結(jié)合起來(lái)，給出一個(gè)能夠解釋一切的萬(wàn)物理論。但目前，這還只是霍金的一家之言。雖然這只是個(gè)假設(shè)，但也是一個(gè)可被驗(yàn)證的理論模型。
愛(ài)因斯坦曾做過(guò)一個(gè)精彩的比喻：宇宙就像是一個(gè)打不開(kāi)的表殼，你只能站在外面，猜測(cè)這個(gè)表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)作機(jī)制。所謂的客觀性、實(shí)在性，不過(guò)是一套自洽的、跟觀測(cè)一致的主觀邏輯模型而已。
自從牛頓用《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，拉開(kāi)了現(xiàn)代科學(xué)的序幕，科學(xué)，在人類(lèi)進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)的進(jìn)程中，引領(lǐng)了技術(shù)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步，一路高歌猛進(jìn)、勢(shì)如破竹。
但正如一座大樓被建造得越高，其穩(wěn)定性就會(huì)越低；廣義相對(duì)論的解釋力再?gòu)?qiáng)，卻還是在奇點(diǎn)處，預(yù)言了其自身的坍塌；現(xiàn)代科學(xué)的江湖，隨著量子力學(xué)的誕生，變得前所未有的混沌不堪。
正如霍金2011年，在他《大設(shè)計(jì)》The GrandDesign一書(shū)的開(kāi)篇，就直接斷言：“哲學(xué)死了，哲學(xué)跟不上科學(xué)發(fā)展的步伐了。”
1、《上帝擲骰子嗎？》2006年出版，作者：曹天元；
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