11.23 宇宙是被設計出來的嗎?霍金的《大設計》

霍金,既是物理學家也是思想家。他的任何新思想的提出,都會引起學術界的關注。他的《時間簡史》一書,曾經產生了廣泛影響。最近他與蒙洛迪諾合作完成了《大設計》一書,這是繼《時間簡史》出版之後,近20多年間他對科學與哲學問題的思考成果。在這部書裡,作者繼續思考著宇宙起始的深邃命題。

宇宙是被設計出來的嗎?霍金的《大設計》

宇宙何時並如何起始?

我們為何在此?

為何是有非無?何為實在本性?

為何自然定律被這麼精細地調諧至讓我們這樣的生命存在?

我們宇宙的表觀“大設計”能否證實使事物運行的仁慈的造物主?——科學能否提供另一種解釋?

哈勃發現紅移定律使宇宙學進入科學的王國,愛因斯坦的廣義相對論為之提供了數學框架,變革了我們的宇宙觀,宇宙微波背景輻射的發現使大爆炸模型為主流所接受。霍金對宇宙學的主要貢獻是宇宙的創生理論,它給出了宇宙的無中生有的場景。在該場景中,宇宙和萬物的創生和演化完全由科學物理定律所決定,而造物主沒有存身之處。這是《時間簡史》的主題。

《大設計》的寫作背景是,在《時間簡史》出版後的二十多年間,無論在對宇宙的觀測,還是對萬物理論的探討都取得了長足的進展,尤其是發現了宇宙加速膨脹,發展了弦論和M理論。這些進步都要求對我們的宇宙觀做進一步的審視。《大設計》一書是《時間簡史》的發展,它納入了所有這些最新的進展。

宇宙論本身是科學、神學和哲學的共同領地,所以是一部科學、哲學並重的著作。


霍金在書中提出了無中生有的場景,這一概念牽涉到實在的概念。在《時間簡史》的終篇,作者提出,儘管統一理論以及無邊界的宇宙模型如此美妙,但也必須面對實現的詰問,《大設計》一書試圖回答這個攸關重要的問題。

二十世紀之前,物理學認為實在是獨立於觀察者的。但現代科學尤其是量子論的發現,使得人們不得不拋棄這個觀念。霍金認為,依賴模型的實在論和現代科學相協調。而現代科學的產生基礎是我們生活其中的四維時空。

宇宙是被設計出來的嗎?霍金的《大設計》

而提出的M理論,卻將宇宙理論擴展到十一維,四維時空是由十一維時空捲縮來的,這就是說,我們的生存環境和表觀定律是由我們存在的條件從多世界中挑選出來的,否則我們便無法解釋為何我們的自然環境和定律恰好有利於我們,彷彿自然為我們的生存進行了偉大的設計。在這個大設計中,造物主雖然被摒棄,我們作為觀察者卻參與進來。

在哲學史上,笛卡兒、康德、彭加萊和羅素都是科學家兼哲學家。在他們之後,尤其在發現量子論之後,哲學界就跟不上科學進展的速度。哲學著作中有關時空宇宙的論述對理論物理已經沒有什麼意義。

還有,我們總是被教導說,客觀世界是獨立於我們而存在的。但量子論卻認為,任何觀測都會干擾對象,在多數情形下,觀測的結果是概率分佈的,觀測干預了世界的演化,並導致“多世界”或“多宇宙”,我們只能感覺到生活在其中的一個世界中,至於生活在哪個世界則是隨機的。

此外,在給定的初態和終態之間,宇宙的歷史在經典物理中是唯一的,而在量子物理中不但不是唯一的,而且還是任意的。經典物理是量子物理在特定條件下的近似。我們的現態(即目前的狀態)甚至會影響宇宙過去的歷史,因為如果給定了現態,那麼和我們相關的歷史必須能演化到這個現態,而其他的歷史都沒有貢獻,我們也觀測不到它們的效應。


可以說,我們的現態對過去的歷史進行了選擇。這顯然違反了因果律,使因果的差異消失。經典物理中的因果差異過於絕對,過於苛刻。我們也是在這個意義上參與了宇宙的創生。客觀世界的獨立性和量子論不協調,而人們無法放棄量子論,因為它從未被違背過,所以只好拋棄前者。

在近現代科學哲學討論中還可以舉很多這樣的例子,所以哲學已談不上對科學有什麼指導。至少目前就是如此。

宇宙是被設計出來的嗎?霍金的《大設計》

大爆炸模型已被科學界廣泛接受,但它沒有解決宇宙起源的問題。宇宙起源的學說有若干,但只有霍金的量子宇宙學是既自洽又自足的。宇宙的邊界條件是它沒有邊界,這樣就把宇宙的量子態確定下來,賦予宇宙學以可預見性。霍金和他的合作者利用費恩曼的路徑積分給出宇宙的波函數,人們可以將宇宙視為演化的過程,也可以認為整個演化就是存在。

他在《大設計》中提出依賴模型的實在論,認為實在只不過是可和觀測對應的自恰的理論或模型。宇宙或萬物可有若干實在,若找不到任何合格的理論或模型,即沒有實在,也就是說,宇宙或萬物即消失。規律不能統攝的現象是奇蹟,如果我們在某場景發現奇蹟,就知道該場景是非真的,我們對此已深有體會。在無邊界設想的框架中,和觀測一致的萬物理論,就是宇宙的存在。

“多宇宙”學說有幾種版本,是由許多科學家在不同時期提出的。粗略地講,有一種版本是基於前面提及的量子論的觀測效應,另一種是起源於M理論中的多於10的500次方的不同的宇宙解。這兩種版本中在不同的單獨宇宙之間沒有交流。然而,由觀察者存在的條件對我們的環境甚至我們四維時空表觀規律的要求,會把我們的世界從多維世界中挑選出來,這被稱為人擇原理。《大設計》的第7章就是討論人擇原理。人擇原理要求我們的世界和太陽系相差無幾,尤其是表觀定律必須如此這般。


許多學者認為,尚未完成的M理論也許是萬物理論或終極理論的唯一候選者,它要將自然的各種力統一起來,但M理論是一族理論網絡,五種弦論和超引力是它在不同情形下的近似。十一維時空是由M理論的自恰性要求的。我們的存在要求其中的七維被捲縮,而我們生活在餘下的四維大尺度時空中。七維的捲縮方式決定我們四維時空的表觀定律。

宇宙是被設計出來的嗎?霍金的《大設計》

M理論在數學上非常美妙,也能包容之前的許多理論模型,這是許多優秀的頭腦致力於研究它的原因。但在物理上,M理論至今仍缺乏特有的基本原理,這與狹義相對論,廣義相對論有光速不變原理、等效原理作為基礎迥然不同。超對稱當然是M理論中的一個非常重要的原理,但它並非專為M理論提出的,它的提出比M理論要早得多。

M理論還未被觀測所證實,甚至還未能獨立提出過一個可被證偽的預言。弦論家們預言M理論很可能實現愛因斯坦統一理論之夢,但就目前而言,還遠未像相對論和量子論那樣被廣泛接受。


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