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12 失败的科普与霍金大一统

12 失败的科普与霍金大一统

作者: 41da02806815 | 来源:发表于2015-04-18 11:24 被阅读118次

我在上一篇讲了这个多重宇宙的理论,你可以称其为世界变动线不可视境界线命运石头门等等一切中二病帅气的名字。文学作品与影视作品都相当喜欢这个理论,因为它存在非常强的戏剧性与剧情张力,主角一般是跑到了另一条世界线,或者有着另一条世界线的记忆什么的。不过现在来说这种剧情也已经烂大街了。

一般来说,这种作品通常会用一个叫“既视感”的东西来证明平等世界的存在。所谓“既视感”,就是我们偶尔会突然闪念觉得现在这个场景很熟悉,好像在什么时候经历过的感觉,但仔细一想又一无所得。这个“既视感”现在也已经被用烂了,有人拿它证明梦境可以预知未来,有人拿它证明自己是“Back to The Future”,当然也有人用它证明平等世界。目前我们的医学已经大致证明这些都是没有的事儿,只不过是错乱的记忆认知。那篇文章具体怎么写我给忘记了,因为专业术语实在太多。

科学界非常不喜欢这个理论,因为它让我们的一些问题变得很可笑。比如说,如果有人问:为什么普朗克常数长这个样子?它不可以是别的样子吗?平行世界理论就回答:只有当它是这个数字时,宇宙才能诞生出人类,人类才能问这个问题……所谓“人择原理”。

这真的很蠢,有种鸵鸟的聪明劲儿。

2009年,人们提出可以把某些可以在真空中生存的病毒制备到量子叠加态,他们称为薛定谔病毒。目前来说,美国德州奥斯丁大学的李统藏等人已经在实验室成功制备出量子叠加态的微米小球。或许接下来我们要做的就是进一步将温度冷却到接近量子基态然后用病毒代替微米小球。于是薛定谔病毒就诞生了,它是真正又死又活的生命体。

好了,如果我们真的制备出这样的生命体了,我们能干嘛呢?

我们就可以验证量子自杀到底能不能让生命体永生了。

量子不确定性理论是如此奇诡,而它又是如此普遍地存在,甚至是我们生活的宇宙的一个基本特征。以致于目前不包含不确定性的理论都变成了“经典”理论,包括相对论。

人们希望找到一个完整的、协调的、将所有这些部分理论当作它的近似的统一理论。寻找这个理论的行为被称为“物理学的统一”。爱因斯坦晚年的大部分时间都在做这件事,但是没有成功。并且,尽管他对于量子力学的发展起到了非常重要的作用,但他本人还是拒绝相信量子态的真实性。

好吧,既然科普索性科普到底,我们来谈谈爱因斯坦。

爱因斯坦是我们人类历史上毫无疑问最伟大的科学家之一。如果去掉牛顿的话,那么“之一”两个字也可以去掉了。并且,不像牛顿那么乖张神棍欺负小字辈,爱因斯坦要和善亲切萌得多。大家都知道爱因斯坦那张著名的吐舌头搞怪的照片,或许有些人也知道爱因斯坦老爷子的一些风流韵事——和苏联女间谍什么的……总之,你会觉得这个人特别之立体可爱。我个人最喜欢的特点是,他文笔极好。有兴趣也以读爱因斯坦文集,那种典型的大科学家简练型的优美感觉。原著也可译版也可,不读是损失。买一套装门面也比壁纸便宜。

提到爱因斯坦,当然是相对论。在狭义相对论中,最根本的设定是,光速是不变的。用“设定”这个词感觉很奇怪,就是说,原理。按照我们现在的认知来说,光速不变就是时空分布不均匀的直接表现?没,我瞎说的。光速不变其实也很违反直觉,虽然还不如不确定性原理来得违反直觉。

你开着车向前走,然后在车上向车的前进方向扔一粒石子,那么站在路面上的我们,直觉认为石子的速度就是车的速度A加你扔出去的速度B,而你觉得石子速度就是B。

但光速不变就是说,如果车子速度是A,你扔石子的速度是光速B,那么我在路面上看到的石子速度根本不是什么A+B,而只是B。但石子掉落的地点是确定的,我们两个人想看到石子掉在同一个地方了,为什么?只有一种解释:在路面上的我看来,是你的时间变多了;而在车上的你看来,是我所在的路面距离缩短了。

……

啊啊啊啊抓狂了不能画图根本解释不清!如果你真想搞明白还是去找正规科普读物吧,这个东西也很有趣其实也不难想。

爱因斯坦真正伟大的地方不在这里,而在于广义相对论。其实当时已经有很多人为狭义相对论做了前期工作,它的出现是相当理所当然的,就算不是爱因斯坦来踹开这扇门它也已经呼之欲出了。但狭义相对论没法解决某些问题,它非常局限。而广义相对论不仅解决了这些问题,而且它回答了使牛顿晚年成为神棍的最终极的那个问题“是否存在第一推动力”。

当年的牛顿似乎是像上帝制定宇宙规则一样提出了牛顿三定律,并且振聋发聩地喊道:万有引力!但根据牛顿力学,如果想让宇宙运转让万有引力开始起作用,必须要有一个最初的力。这个力轻轻一推,宇宙开始启动,万物运转。牛顿花了一辈子想找到这个力到底是什么,找不到,然后他就变成了神棍,说,就是上帝推了这么一把。

然后爱因斯坦拿了一个三维的网,中间放一个小球,说,你看,万有引力就是这么一回事儿。这个三维网的形象是央视记录片里的一个场景,相当形象生动易于理解,比喻极好。

据说爱因斯坦刚完成广义相对论,拿去给别人看,世界上的大科学家们一个都看不懂。这是因为那时候的科学家们并不看重数学,虽然他们的数学也都相当不错。广义相对论里面用的数学工具全是非欧几何,而一般物理学家懂的还是传统的欧几里德几何。非欧几何被平反也没过几年,大家根本没学过。

但相对论体系却根本没办法放到量子物理里面来。

以下是霍金对于大一统理论的看法,我贴过来。这就是为什么人家是全球知名的大物理学家而我连自己的小小文章都不敢称科普的原因……这一篇写得不好,因为我功力不足以驾驭这种命题。

——以下《时间简史》第十章——

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屋楼。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1000万亿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1000亿亿(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。

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