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虚无与无限之间

一般来说,大多数人的一生,都在离家不超过800公里的范围内活动。在对物质世界进行的有限的探索过程中,我们记录了对身边事物的记忆和体验——人、房屋、树木、当地的河流与湖泊、鸟儿鸣叫的声音以及云朵——所有这些都通过眼睛和耳朵汇集到我们的大脑中。然而,试想一下我们能够想象的东西——以《荷马史诗》中尤利西斯的航海经历为例。有一次,尤利西斯和他的船员们被身高9米的独眼巨人抓住。独眼巨人先是吃掉了两名船员,再将其余人关进洞穴,留着将来享用。尤利西斯逃跑后,又回到海上,他把自己绑在船的桅杆上,以此来抵抗塞壬的召唤。塞壬是人首鸟身的女妖,她那美妙的歌声会引诱过路的船员走向触礁的厄运。再来看看达利的名画《记忆的永恒》( The Persistence of Memory ),画里的时钟如橡胶一般耷拉在树枝和桌子上,就像在太阳下融化的比萨。此外,马长出了翅膀,河里流淌着黄金,木偶有了生命……在我们的脑海中,我们能够将在琐碎经验中看到的事物结合起来,创造出未曾见过甚至根本不存在的壮丽幻景。

艺术中的想象力为人熟知,科学中的想象力则不然,但其想象之大胆、应验之频繁,令人惊叹不已。麦克斯韦(James Clerk Maxwell) 根据自己的方程组的逻辑线索,想象出穿梭于空间的电磁能量波——肉眼不可见的X射线和无线电波。爱因斯坦曾设想,相对于彼此而运动的时钟并不以相同的速率走时,尽管这种近乎荒谬的现象从未被观察到过。(要想观察到它,需要敏感度极高的仪器,或接近光速的相对速度。)

古希腊人假设出了看不见的原子,它们极其微小,肉眼无法看见,不可毁灭,也不可分割,是组成物质世界的基本材料——这是想象力的又一次飞跃。2000年后,一位名叫布莱兹·帕斯卡(Bl aise Pascal)的法国人想象得更加深邃。帕斯卡是数学家、物理学家、发明家、散文家和神学家,他推测了无限小和无限大的事物的存在。他在《思想录》( Pensées )中写道:

整个这座可见的世界只不过是大自然广阔怀抱中一个难以觉察的痕迹……我们尽管把我们的概念膨胀到超乎一切可能想像的空间之外,但比起事情[宇宙]的真相来也不过成其为一些原子而已。它就是一个球,处处都是球心,没有哪里是球面……一个人在无限之中又是什么呢?但是为了给他展示同样可惊可讶的另一幅壮观,让他能探讨一下他所认识的最细微的东西吧。让我们给他一枚身躯微小而其各个部分还要更加微小无比的寄生虫吧,……并且把这些最后的东西再加以分割,让他竭尽这类概念之能事,并把他所可能达到的最后的东西当作我们现在讨论的对象;他或许会想,这就是自然界中极端的微小了吧。可是我要让他看到这里面仍然是无底的……谁能不赞叹我们的躯体呢?它在宇宙中本来是不可察觉的……而与我们所不可能到达的那种虚无相形之下却竟然一下子成了一个巨灵、一个世界,或者不如说成了一个全体!凡是这样在思考着自己的人,都会对自己感到恐惧,并且当他思考到自己是维系在大自然所赋给他在无限与虚无这两个无底洞之间的一块质量之内时,他将会对这些奇迹的景象感到战栗的……[他]所由之而出的那种虚无以及他所被吞没于其中的那种无限,这二者都同等地是无法窥测的。 1

就在帕斯卡写下这段非凡的文字之时,世界上第一台粗糙的望远镜才刚被发明出来,而且最远只能观测到太阳。值得一提的是,那时还没人知道那悬挂着恒星的水晶“天球” 究竟有多大。帕斯卡在巴黎郊区一个寒冷而又昏暗的房子里工作,那时的人们还认为,强制放血可以治病,装满药箱的是水银和砒霜,火和电是神秘无比的东西;但此时的帕斯卡正想象着无限。

吸引帕斯卡想象的不只有物质的无限,他还关注着我们人类该如何在这个世界中定位自己。被困在自然赋予的身体里的人类,维系在“无限与虚无这两个无底洞之间”。在几十年后的牛顿的著作中,人们没有发现这种对于人类存在的思考和诗意。帕斯卡着实是独一无二的,他既是一名人文主义者,又是一位科学家——在《人没有上帝是可悲的》(“The Misery of Man Without God”)等文章中,这位虔诚的宗教信徒深入探讨了人性。帕斯卡是一个出生在法国上层社会的世俗之人,也是巴黎各类沙龙的座上宾——同时,他也是一位对射影几何学做出过重大贡献的数学家,还是设计了第一台机械计算机的发明家及概率论的先驱。压力单位和一种计算机编程语言以他的名字命名。人们不禁会将他与文艺复兴时期的另一位博学大师达·芬奇相比较。不过,即便是达·芬奇,也没有考虑过无限的问题。

有一幅著名的帕斯卡肖像 2 ,出自与他同一时代的画家菲利普·德尚佩涅(Philippe de Champaigne)之手,画中的帕斯卡大约35岁(帕斯卡在39岁时去世),粉红色的脸颊让他的皮肤更显苍白病态,些许精致的胡须和鬓发,突出的贵族式的鼻子,深色的卷发垂至肩膀,胸前披着一件如绣花帷幔的绿色外衣,里面是浆得硬挺的白色衣领,此外还有帕斯卡脸上模糊的、近乎痛苦的微笑,仿佛他在沉思着没有上帝的人的可悲,努力在这个充满罪恶的世界里尽其所能。

帕斯卡出生在法国奥弗涅地区克莱蒙费朗的一个富裕又虔诚的家庭。父亲在政府工作,是一名税收官。年轻的帕斯卡在数学和机械方面展现出了不凡的天赋。在他十几岁时,为了帮助父亲计算税款,他开始着手制造机械计算器。在造出50余台原型机之后,年轻的帕斯卡成功地制造了一台成品机器,如今被称为“帕斯卡计算器”(又称“滚轮式加法器”)。这个小机器外观看起来像一个铜制鞋盒,上面有6个显示数字的窗口,每个窗口下方都有一个带辐条的金属拨盘。如果要输入数字,你可以将笔插入辐条之间以转动拨盘,直到拨盘上方相应的窗口出现你想要的数字。接下来,在下一个拨盘上输入另一个数字,在传动装置的作用下,两个数字之和就会出现在另一个窗口中。

16岁时,年轻的帕斯卡在石板地上用炭笔画图,自学了几何。不久后,他便发现了如今被称为“帕斯卡定理”的东西:如果在圆锥曲线(平面与圆锥体相交形成的曲线)上任意选取6个点,并以任意顺序用线段连接起来,形成一个六边形,六边形的三对对边形成的三个交点(左图中的G、H和K点)均位于同一条直线上。我不知道帕斯卡定理有什么实际用途,不过它一直被宣传为一条伟大的定理,在国际奥林匹克数学竞赛中被拿给世界上最聪明的高中生们去验证。

帕斯卡很可能是在研究一个全新的数学领域——射影几何学——时,形成了对“无限”这一概念的理解。射影几何学研究的是图形的射影性质,即当图形被投影到其他表面时(譬如物体在地板上的影子),其性质保持不变。在射影几何学中,有一个概念叫作“无穷远点”,举个例子,在透视图中,想象有一条狭窄的街道,其两侧无限延伸,直到两条平行线看起来相交,这时便出现了“无穷远点”。虽然它并不存在于物理世界中(当然也不存在于帕斯卡对物理世界的认识中),但它可以被想象。

1650年,帕斯卡的父亲去世,帕斯卡继承了一大笔钱,继续与最上流的社会人士往来,因为这才与他的财富相称。有一段时间,他曾拥有一辆配着6匹马的马车。生活在时髦的社交圈,参加巴黎的各式沙龙,帕斯卡是一个世俗之人。与此矛盾的是,他还与奉行禁欲主义的“詹森教派” 扯上了干系,该教派的名称来自伊普雷斯主教科内利斯·詹森(Cornelius Jansen)。詹森教徒和清教徒一样需要严守教会法规,痴迷于原罪、人的堕落和宿命论。T. S.艾略特曾这样描述帕斯卡:“他是禁欲者中的世俗人,也是世俗人中的禁欲者;他有着世俗主义的认知,也有着禁欲主义的热情,二者在他身上融为一体。” 3

除了科学成就,帕斯卡为人所知的还有他那颇具影响力却未能完稿的《思想录》,这是一部关于神学和哲学的片段集,在这本书中,帕斯卡经常对当时的知识分子做出尖锐的调侃。帕斯卡一生多病,于1662年8月去世,很可能是死于胃癌。在晚年,他评论道:“疾病是基督徒的自然状态……一个小时的病痛是比世间所有哲学家加在一起还要好的老师。” 4

帕斯卡最令我感兴趣的地方,是他对无限的想象——无限小和无限大——以及对人类徘徊于两个无法企及的领域之间的状态的描绘。诚然,从圣奥古斯丁开始,基督教的宗教思想家们就论述过上帝的无限力量。但是,没有任何证据表明有哪样物质能够哪怕远远地接近极其大或极其小。显然,在精神方面,帕斯卡在想象的世界里沿着那条狭窄的街道不断前行。如今的科学家们也是如此。随着物理学界和天文学界迎来新发现(这些发现甚至连帕斯卡都无法想象),人们开始明白,大与小都存在着惊人的极限。这种极限不是由测量设备精度不够造成的一般性束缚,而是因时间和空间的性质导致的根本性束缚。

我们首先了解一下“大”。倘若存在着一个巨神,凝视着宇宙,外太空在其眼中就如同一片浩瀚的黑暗之海,它的大部分是空的,其间点缀着一些发光的岛屿——星系。平均而言,每个星系,就像我们的银河系,包含约1000亿颗恒星,其总体积大约是一颗恒星的1万亿倍。实际上,天文学家已经测量到的距离达到了几十万个星系的直径,这是现实中已知的最远区域。而太空延伸的距离远不止于此,但我们永远无法观测到了,其中的原因十分迷人。早在20世纪20年代,我们就用大型望远镜观测到宇宙正在膨胀,星系正在远离彼此,就像一只正在膨胀的气球上的点。如果把这幅景象倒序播放,宇宙中的物质急速聚集在一块,直到定格在一个确定的时间,即大约140亿年前。那时,所有的物质都被塞入一个密度和温度都高到令人难以想象的区域,这就是所谓“宇宙大爆炸”的开始。也许宇宙没有尽头,但我们无法看到一定距离以外的东西,因为自大爆炸以来,还没有足够的时间能让光抵达这里。就好像我们身处一座巨大的黑暗宫殿之中,天花板上的灯都没亮,忽然之间灯被打开了(大爆炸)。在最初的瞬间,我们只能看见离我们最近的灯,而远处吊灯的光线还没有进入我们的视线。随着时间的流逝,我们会看到宫殿里越来越远的地方。但在任何时候,总会有一片我们还看不到的区域。因此,在追寻帕斯卡的“无限大”的过程中,我们触碰到了有限的宇宙年龄和有限的光速所带来的极限。

现在,再来看看无限小。就像宏观宇宙一样,原子内部的大部分空间是空的。在每个原子的中心,都有一个被称为“原子核”的小块,电子围绕着原子核运行。相较于原子核,电子的质量几乎可以忽略不计,电子的运行轨道与原子核之间的距离是原子核直径的10万倍。下面我们再来探索一下更小的。原子核是可分割的,它由更小的粒子组成,即质子和中子,而质子和中子也是由更小的粒子组成的,我们称之为“夸克”。1969年,人们用巨型粒子加速器测量了夸克的大小,一个夸克大约是一个原子的1亿分之一。

夸克是最小的极限吗?它是自然界最小的物质吗?如果帕斯卡还在世的话,他肯定会说不是。他会想象着把夸克切成两半,再把得到的两个部分一分为二,再一分为二,无限地分割下去。如果我们按照帕斯卡的想法去做,最终会触碰到另一个极限。在此过程中的某一节点,我们会发现引力物理学和量子物理在此结下不忠的姻缘。爱因斯坦的广义相对论所描述的引力物理学告诉我们,空间和时间的几何形状受到质量和能量的影响。也就是说,像太阳这样质量大的物体会让空间弯曲,就像保龄球在蹦床上会下沉,使床面弯曲一样。并且,质量还会让时间的流逝变慢,越靠近质量大的物体,时间流逝得越慢。

这段不忠婚姻中的另一方是量子物理。量子物理也是在20世纪20年代发展起来的,它描述的是在亚原子领域,粒子具有不稳定、不确定的特性,并且似乎可以同时存在于多个地方。虽然现在还没有完善的“量子引力理论” ,但可以预见的是,量子物理和引力物理学的结合所涵盖的领域会有多么广阔。亚原子尺度极其微小,又被称为“普朗克长度”,以量子力学先驱、物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)的名字命名。普朗克长度为10 -33 厘米,一个夸克是其10亿亿倍。我们换个方式来直观地展现正在讨论的无限小的尺度:普朗克长度与原子核的大小比例,跟原子核与罗得岛州 的比例差不多。现实中竟存在如此微小的元素,这不由得令人震惊,无法用语言来形容。

由于量子物理不稳定、不确定的特性(海森堡不确定性原理,Heisenberg Uncertainty Principle),在普朗克长度的维度上,时间和空间是无序变幻的,任何两点之间的距离每时每刻都在剧烈变动,时间随机地加速和减速,甚至可能倒退和快进。在这里,时间和空间超越了我们的常规认识,不再有任何意义。我们在宏观世界所看到的房屋树木,感受到的平稳的时间和空间,只是普朗克长度上极端的攒动和混乱达到平衡后的结果,就像从300米的高地俯瞰海滩,无法看清上面的一粒粒沙。

因此,如果我们向帕斯卡致敬,去探索无限小,坚持不懈地一次次对分空间,一旦踏入变幻不定的普朗克领域,“空间”就不再有意义。什么是无限小?我们不但没能得到问题的答案,还否定了用以提出问题的词语的意义。空间已经被一个古老的玻璃吹制者吹得太薄,薄到融进虚无。普朗克的世界是一个幽灵般的世界,是一个没有“时间”和“空间”的世界。正如帕斯卡所说的那样,我们发现自己处在虚无和无限这两个无底洞之间。在帕斯卡时期的两个半世纪后,在科学的引导下,我们发现了可观察到的最小和最大事物的极限。

对今天的科学家,特别是物理学家来说,他们的想象已经远远超过了实验可以证实的程度。物理学家们设想,自然界最小的元素不是电子那样的粒子,而是极其微小的一维能量“弦”,其大小要用普朗克长度来衡量,若想探索它,恐怕得造一个比地球还大的粒子加速器才行。物理学家们还猜想可能存在着无数个其他宇宙,但这些宇宙永远不会和我们的宇宙产生联系,因此也就无从证实。宇宙学家们就我们宇宙的起源进行了理论研究。时间和空间是从大爆炸开始的吗,还是在那之前就存在于某种量子迷雾中了?虽然有各种各样的理论来回答这些问题,但我们不太可能知道哪种理论是正确的,前提是其中真的有正确的理论。总之,我们已经为帕斯卡的两个“无限”丰富了许多细节,以更先进的想象力点缀了他的想象,但我们仍处在假设的阶段,而不是确定的领域,我们可能还要在这个阶段停留很久,也许是无限久。伟大的科学哲学家卡尔·波普尔(Karl Popper)曾说,无法被证伪的命题就不是科学的命题,也就是说,除非有谁能够做一场实验来证明它是错的。在历史上的任何特定时刻,我们所认可的科学理论和观点,都是没有被证伪的。如果我们永远无法验证无限大和无限小,那它们可能从来就不是科学的命题。但是,它们肯定会充满活力地存在于想象的领域。

最后,我们来回看帕斯卡在《思想录》中是如何从物理、哲学和心理层面围绕人类来描述无限的。帕斯卡本可以简单地阐述说,宇宙延伸至无限,可能是无限小,也可能是无限大。但他没有这样做,而是以人来衡量宇宙的尺度。首先,与无限大相比:“一个人在无限之中又是什么呢?”然后与无限小相比:“谁能不赞叹我们的躯体呢?它在宇宙中本来是不可察觉的……而与我们所不可能到达的那种虚无[极度渺小]相形之下却竟然一下子成了一个巨灵、一个世界,或者不如说成了一个全体!”人类有着“大自然所赋给他在无限与虚无这两个无底洞之间的一块质量”。

凭借对事物大小的认识,现在的我们可以很具体地指出人类在宇宙层级中所处的位置。人体要 对半分 多少次,才能达到原子的大小? 5 答案是33次(人们直到20世纪才知道这一答案)。反过来想,人体的体积要 翻多少番 ,才能和一颗标准的恒星一样大呢?就以太阳(那是帕斯卡所知道的最大的物体)为目标吧,答案是30番。因此,从指数大小来看,人体的体积接近于太阳和原子体积的中间值——当然,原子不是无限小,太阳也不是无限大,不过在自然中,前者是微不足道的东西,而后者则堪称庞然巨物。因此,尽管帕斯卡没有我们今天所拥有的宇宙定量知识,但他说,我们人类至少在物理层面介于大与小之间,确实是有道理的。

更有趣的或许是《思想录》中的心理学甚至神学的色彩。“凡是这样在思考着自己的人,都会对自己感到恐惧……将会对这些奇迹的景象感到战栗的……[他]所由之而出的那种虚无以及他所被吞没于其中的那种无限,这二者都同等地是无法窥测的。”如上所述,即使身处那个时代和地域 ,帕斯卡仍是位极度虔诚的信徒。毫无疑问,帕斯卡在这些句子中所描绘的,是人类在“上帝的神圣感官” 中的渺小和有限。而他文章中提到的“虚无”,也许是指“神创”——人类与整个宇宙的创造。人类无法了解虚无与无限的真相,只有上帝才可以,这种观念使我想起了弥尔顿的《失乐园》中的一段话,《失乐园》出版于帕斯卡去世的5年后。在书中,亚当询问拉斐尔关于天体运动的问题,拉斐尔一开始含糊其词,然后说道:“伟大的建筑师/精明地将其余部分隐藏起来/不想让人或者天使知道/不泄露他的秘密/他们浏览了那些秘密/必将大为赞叹。” 6

显然,人类的认知是存在边界的。但我不认同帕斯卡所说的,人类应对还不理解的事物感到恐惧,对无限大或无限小感到恐惧。在探索无限的大与小的过程中,固然会遇到根本性束缚,我们在上文中讨论过这一点;但是,我们要因此在面对深渊的凝视时而感到“战栗”吗?我们要因为没有能力理解这些事情而哀叹吗?爱因斯坦曾写道:“我们所能拥有的最美好的体验是对奥秘的体验。它是坚守在真正的艺术和真正的科学的摇篮上的基本情感。” 7 我认为爱因斯坦所说的“奥秘”,并不是指可怕的事物或者超自然的东西。我相信他说的是已知与未知的边界。站在这条边界上是一种令人振奋的体验,一种深刻的人类体验——关于人类的头脑所理解的和尚未理解的事物的体验。已知和未知之间的边界并不是静态的,它会随着我们的新认知和新理解而扩展。500年前,我们还不明白热和电的本质。100年前,我们还不清楚生物体繁衍下一代的指令机制。已知和未知之间的边界不断变换,另一边即是“奥秘”。“奥秘”吸引着我们,刺激着我们,驱使着我们,困扰着我们。新的科学和新的艺术也由此出现。 dHa15ObhwhC/q2M+tDcAbdh4ARA/7pLyuwsS9xNxZQoMwDkktAvpVTe902IZ7N9q



虚无

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大爆炸之前是什么?

1931年2月11日,星期三,在加利福尼亚州帕萨迪纳附近的威尔逊山天文台舒适的图书馆里,阿尔伯特·爱因斯坦与一小群美国科学家交谈了一个多小时。 8 正是在这场主题为宇宙学的谈话中,爱因斯坦做出了科学史上最具影响力的声明之一。他的相对论和引力理论早已得到证实,诺贝尔奖收入囊中也已有十年,此时的爱因斯坦已经是世界上最著名的科学家。(两个月前,他所乘的船只在纽约靠岸,他在日记中这样写道:“摄影记者们像饥饿的狼群般朝我扑过来。” 9

许多年来,爱因斯坦就像他的前辈亚里士多德和牛顿一样,坚信宇宙是一座宏伟而不朽的大教堂,永远保持着原本的样子,时间从无限的过去延伸到无限的未来,并不会带来什么变化。一位俄罗斯物理学家 10 提出了进化宇宙论,爱因斯坦对此予以否定,认为其在形式上虽然正确,但没有任何物理学上的意义。当某位杰出的比利时科学家在1927年提出宇宙像一个膨胀的气球一样正在扩张时,爱因斯坦对此直呼“可恶” 11

然而,摆在这位伟大的物理学家面前的,是望远镜最近发现的证据——星系正在飞离我们。也许对他来说更有说服力的是,他的静态宇宙数学模型被证明就像一支立着的铅笔,轻轻碰一下,它就倒了。在到达帕萨迪纳时,爱因斯坦就准备好承认宇宙是处于不断变化中的。面对周围穿着西装打着领带的人,他操着浓重的德国口音说道,观察到的星系运动“像锤子一样砸碎了我原有的构想” 12 。说着还朝下砸了砸拳头以加重语气。而从这堆碎片中崛起的是大爆炸宇宙论:宇宙并不是静止且永恒不变的;相反,它“开始”于大约140亿年前,此后便一直在膨胀。根据目前的数据,我们的宇宙会永远膨胀下去。

加州理工学院物理学教授肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)是一名大爆炸宇宙学者。不仅如此,他也是自称“量子宇宙学家”的一小群物理学家之一。他想知道在大爆炸开始的那一瞬间发生了什么,甚至在那 之前 又发生了什么。卡罗尔和其他量子宇宙学家认为,大爆炸不仅创造了宇宙,也许连时间本身也是随着大爆炸而来的。这些理论物理学家们在纸上研究着大爆炸之前是什么(如果有的话),时间是否有起点,以及我们为什么能从过去推测出未来。这是物理学的基础问题,好比笛卡尔追寻自身存在的证据,而这些问题直到最近才被认真地提出来。它们与帕斯卡的见解不无联系——我们和宇宙是从“虚无”中诞生的。据现代宇宙学家称,整个可观测宇宙的尺寸曾一度是极其微小的。因此,帕斯卡关于无限小的想法,他所说的“虚无”,可能与我们宇宙的起源有关。

量子宇宙论是一门推测性的科学。首先,宇宙的诞生是一场只此一次的演出,而我们并没有在场观看。更重要的是,要想探寻宇宙的开端,就必须了解物质和能量在极大密度状态下的引力现象,也就是我们在《虚无与无限之间》中讲到的“量子引力”。物理学家们认为,在这一量子时代 13 ,我们如今看到的 整个宇宙 比一个原子还小得多——大约是一个原子的1亿亿亿分之一(前提是宇宙确实经历了一个膨胀时代)。其温度接近10亿亿亿亿度,时间和空间如沸水一般汹涌。当然,其中的情形是难以想象的。但理论物理学家尝试着以笔、纸还有数学计算来推演它。在这一密度无法估量的小点中,我们认知中的时间以某种未知的方式诞生了。又或者,时间也许早已存在,只是从那里开始有了方向,指向未来。

物理学家希望在未来50年左右的时间里,弦理论或其他新的理论将能够可靠地解释量子引力,包括解释宇宙是如何开始的。在那之前,包括霍金、安德烈·林德(Andrei Linde)和亚历山大·维连金(Alexander Vilenkin)在内的一些最具深度影响力的物理学家就不同的假设展开了辩论,每种假说都有着大量的计算支撑。但这是一个狭窄的领域,胆小勿入。卡罗尔这样向我解释它的魅力:“高风险,高收益。” 14 然后,我们就一头扎进了这一奇幻的兔子洞。

当我通过网络联系到肖恩·卡罗尔时,他穿着连帽衫和牛仔裤,正舒服地坐在洛杉矶家中的书房里。而我则待在家里一间并不舒适的客房中,我的家位于马萨诸塞州康科德市——毗邻着星系般浩瀚的海洋。在谈到他最喜欢的话题时,卡罗尔表现得非常轻松。他当时49岁,有着结实的胸膛和一头红发,脸颊和下巴有些赘肉,眼睛里闪烁着顽皮的学生气。他既是一位能言善辩的科学讲解人,也是受人尊敬的物理学家。他写过一些科学论文,文章都有着像《如果时间真的存在呢?》(“What If Time Really Exists?”) 15 之类的标题,也出版过《从永恒到此刻:追寻时间的终极奥秘》( From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time )等畅销书。在书中,他会引用巴门尼德(Parmenides of Elea)和赫拉克利特( Heraclitus)等古希腊哲学家的话。

卡罗尔痴迷于宇宙的相对均匀性和秩序。“秩序”一词在物理学中有着明确的含义,它是可以被量化的。相较于有序,宇宙更可能是无序的,就像一副扑克牌,一旦洗过之后,更可能出现的是杂乱的排序,而不是按数字和花色整齐地排列。同样地,物理学家们推测,考虑到可观测宇宙中的物质数量,宇宙可能比实际看起来的更加无序和不均匀。更确切地说,可观测宇宙中有大约1000亿个星系,当把其放到足够大的空间去观察时,这些星系就像从远处看到的卵石滩一样均匀,看起来相差无几。但是,物理学家们表示,相同的物质更有可能集中在为数不多的超大型星系或大型星系团中,甚至集中在某个大质量黑洞中,类似于海滩上所有的沙子都汇集在几块硅石里。

从可观测宇宙表现出的不可思议的均匀性来推测,宇宙大爆炸的中心附近区域的环境应该是异常有序的。我们尚未理解为何如此,但确实有这种可能。卡罗尔对于自己的宇宙观向来是直言不讳的,他告诉我:“我坚信宇宙初期的低熵[即高度有序和均匀]环境是一个谜题,是整个宇宙学界本应更认真对待的问题。正因存在着这种认知不足,我们才能有获得新突破的机会。” 16 以卡罗尔为代表的部分物理学家认为,秩序与“时间箭头”(又称“时间之箭”)息息相关。从有序走向无序的运动方向,便是时间前进的方向。例如,在电影里,一个高脚玻璃杯从桌上掉下来摔碎了,我们会觉得这很正常,可如果我们看到的是散落的玻璃碎片从地上跃起,组合成一个完整的玻璃杯,完好无损地待在桌子的边缘,我们便会认为电影是在倒放。同样地,随着时间推移,干净的房间没人收拾会落满灰尘,而不是变得更加整洁。我们所说的“未来”是越来越混乱的,而“过去”则是越来越有序的。我们能够轻易地区分这两者,说明我们这个世界有一个明确的时间方向。(只有理论物理学家才会思考这种事情。)宇宙也是如此。恒星散发出热和光,慢慢消耗掉它们的核燃料,最后变成冰冷的灰烬漂浮在太空中。但相反的事情绝不会发生。

让我们回到宇宙不寻常的有序性上来。卡罗尔与麻省理工学院的宇宙学先驱阿兰·古斯(Alan Guth) 合作,提出了一个尚未发表的理论,名为“双向时间”(Two -Headed Time)理论。该理论认为,时间是永远存在的。但与亚里士多德、牛顿和爱因斯坦等人的静态宇宙模型不同的是,在这一理论中,宇宙会随着时间而改变。并且,宇宙的演变在时间上是对称的,大爆炸之前的宇宙演变与大爆炸之后的宇宙演变几乎是呈镜像的。直到大约140亿年前,宇宙一直处于收缩阶段。在大爆炸发生的那一刻,宇宙收缩到最小尺寸,之后便开始膨胀,就像会翻着跟头下楼梯的弹簧玩具一样,在碰撞时被压缩到最小,然后又会反弹回更大的尺寸。一些其他的量子宇宙学家也提出了相关模型。不过,由于在量子物理中,量子会不可避免地随机波动,所以在他们的模型中,收缩阶段的宇宙不会完全是膨胀阶段的宇宙的镜像,因此,在收缩宇宙中,可能不会存在一位名叫阿兰·古斯的物理学家。但这两种阶段的宇宙会极其相似。

关于有序和无序的科学,众所周知的一点是,在其他条件相同的情况下,空间越大则无序性越高,本质上是因为物体可以分散的地方更多。同理,空间越小则有序性越高。由此可见,在卡罗尔——古斯的科学图景中,宇宙的有序性在大爆炸那一刻达到 顶峰 ,之前和之后都在向无序状态演变。回顾一下上文:从有序走向无序的运动方向,便是时间前进的方向。因此,“未来”在时间的两个方向上都指向远离大爆炸的那一端。对于一个生活在收缩阶段的宇宙的人来说,宇宙大爆炸也发生在过去,和我们一样。他死亡之时的宇宙比他出生之时的宇宙的年龄要大,我们也是如此。

如果把时间看作一条长长的路,而大爆炸是这条路上的一个坑,坑里有一块路牌指示着去往未来的方向,你会发现,路牌有两个箭头,分别指向相反的方向。“双向时间”因此得名。而在坑中心、夹在两个相反方向的箭头之间的区域,时间没有明确的方向性,时间在此是混沌的。上文中的高脚杯和房间的故事,还有另一个亚原子版本,在这一版本中,碎片从地上跃起组成一个高脚杯与高脚杯摔碎在地上一样常见;无人打扫的房间既可能变得越来越脏乱,也可能变得越来越整洁。如果亚原子生物存在的话,无论它们看见这两幕情形中的哪一幕都不会觉得奇怪。

这是科学幻想吗?也许是,也许不是。无论对错,这些想法本身就意义深远。卡罗尔说:“我之所以能记住过去而不是记住将来,终极原因竟与宇宙大爆炸那一刻的状态有关,当理解这一点时,这种顿悟令我震惊。”

另一种主流的观点是,大爆炸之前不存在宇宙和时间。时间是伴随大爆炸出现的。这一假说的支持者认为,宇宙实际上是从虚无中产生的,它源自一个极其微小(普朗克长度)但有确切体积的小点,并在此后一直扩张。这在量子物理中是有可能的。不过在那个时候,时间还不存在。在宇宙处于最小尺寸之前,不存在任何时间,因为根本不存在“之前”这个概念。同样地,也不存在“创造”宇宙一说,因为“创造”一词本身就意味着存在时间上的先后。正如霍金所描述的:“宇宙既没有被创造,也没有被毁灭,它只是‘存在’。” 17 霍金所说的这种“存在”,或者说“无时间状态下的存在”,以我们人类有限的经验是完全无法理解的。我们甚至找不出语言来形容它,因为我们说的每一句话几乎都包含着“ ”与“ ”的概念。

乌克兰科学家亚历山大·维连金是最早提出宇宙可能来自虚无的量子宇宙学家之一。1976年,20多岁的他来到美国攻读博士学位,现在的他是近波士顿市的塔夫茨大学的物理学教授。7月炎热的一天,我去他的新办公室拜访他,他穿着凉鞋和一件宽松的黑色衬衫。从他办公室唯一的一扇窗户望出去,是街对面一幢沉闷的砖房。“我以前那个办公室的视野更好。”他告诉我。 8 一箱箱刚拆开的书散落在地板上,书架上还有一个他女儿送给他的爱因斯坦玩偶。

在来美国之前,维连金在苏联申请了博士学位,但是录取资格被取消了,可能是因为克格勃(KGB)1的审查。于是,他开始在一家动物园里当看守员,这给了他足够的时间去思考宇宙学的问题。来到美国后,维连金获得的是生物物理学博士学位,而不是宇宙学。“我在业余时间研究宇宙学,”他说,“那时的宇宙学还是一个很冷门的研究领域。”维连金是一个严肃的人,不像很多物理学家那样爱开玩笑,他对待t=0的研究极其认真。“宇宙从量子隧穿(quantum tunneling)中诞生不需要任何条件,”他说,“不过那时应该已经存在物理定律了。”我们简要地聊了一下当时间和空间都尚不存在时,“那时”意味着什么,物理定律又是如何到达“那时”的。在论及这点时,维连金喜欢引用圣奥古斯丁的话。圣奥古斯丁经常被问及上帝在创造宇宙之前在做什么。在《忏悔录》( Confessions )中,他回答道,由于上帝是在创造宇宙的同时创造的时间,所以根本没有“之前”也没有“那时”。虔诚的天主教徒帕斯卡应该会同意圣奥古斯丁的观点,他所说的“虚无”,不仅指无限小,也指上帝在虚无中创造万物。

维连金所说的“量子隧穿”指的是量子物理中的一种幽灵般的现象,在这种现象中,物体可以完成一些奇妙的壮举,比如穿过一座山,突然出现在另一边,而无须越过山顶。这种让人费解的能力已经在实验室里得到了证实,因为亚原子粒子似乎可以同时出现在多个地方。量子隧穿常见于微小的原子世界,但在人类的眼中完全可以忽略不计,这也是为什么这种现象在我们看来如此荒谬。但在宇宙还处于量子时代,即无限接近t=0之时, 整个宇宙 只有一个亚原子粒子那般大。因此,在人类永远无法理解的量子迷雾的可能性中,整个宇宙可能在某个“瞬间”从事物起源之处出现了。(我给“瞬间”两个字加上了引号,是因为那时根本不存在时间;我刚刚反应过来,在上一句话里我又用了“那时”……)

整个宇宙就像一个亚原子粒子,存在于魔幻的量子世界中,这是什么意思?任职于加利福尼亚大学圣芭芭拉分校的著名量子宇宙学家詹姆斯·哈特尔(James Hartle)与霍金一起开发了世界上最细致的宇宙模型之一,用以描绘大爆炸伊始处于量子状态的宇宙。在哈特尔和霍金的方程式中,时间是不存在的,作为替代,他们利用量子物理来推测初生宇宙可能具备的某些特征。

尽管哈特尔是世界级量子理论方面的专家,但他也承认自己对量子物理是否能应用于整个宇宙而感到困惑。“这对我来说是个谜,”他告诉我,“当宇宙只有一种状态时,我们还要量子物理干什么?” 19 也就是说,当我们的宇宙只存在一种条件时,为什么还会有其他条件下的可能性?那些潜在的条件是否真的存在于其他宇宙的某个地方?

量子宇宙学家并非没有意识到他们的研究在哲学和神学领域引起的巨大反响。正如霍金在他的《时间简史》中所说的,许多人相信,上帝在规定宇宙按照固定的自然法则演变的同时,也负责在一开始给时钟拧上发条并决定其如何运转。霍金的理论提出了一种推测“早期”宇宙概貌的方法,这种方法不依赖于“初始条件”、边界或者其他任何宇宙之外的东西,从而为宇宙是如何启动的提供了一种可能的解释。在这一方法中,只需用到量子物理的冰冷法则就完全足够。“那么,造物主在哪里呢?”霍金问道。 20 物理学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)也得出了类似的结论,他写了一本书,名为《无中生有的宇宙》( A Universe from Nothing ),并在书中声称,量子宇宙论的进步表明,上帝与之毫不相干。

人们会想当然地认为,大部分量子宇宙学家和大多数科学家一样都是无神论者。但唐·佩奇(Don Page)显然是个例外,他既是阿尔伯塔大学的前沿量子宇宙学家,也是一位福音派基督徒,还是一位计算大师。我和他是加州理工学院物理系的博士生同学,那时,每当遇到复杂的物理难题,他就会不声不响地掏出纤细的圆珠笔,然后一头钻进数学的密林中,写下一个又一个潦草的方程式,直到得出答案。虽然他与霍金合作完成了一些重要的论文,但他们在关于上帝的问题上产生了分歧。佩奇最近对我说:“作为一名基督徒,我相信在宇宙之外有着一个创造出宇宙及一切事物的存在。上帝才是真正的造物主。整个宇宙都出自上帝之手。” 21 而在肖恩·卡罗尔的博客(《荒谬的宇宙》, The Preposterous Universe )的客座专栏中,佩奇的言论听起来就像科学家和有神论者在同时发声。“有人可能会认为,上帝存在的假说会使宇宙相关的理论变得更复杂,但事实并非如此,因为上帝或许比宇宙更简单,以上帝为出发点展开研究,会比单纯研究宇宙更可能得到简单的解释。” 22

值得注意的是,大多数量子宇宙学家不相信宇宙的诞生是由什么东西导致的。正如维连金对我说的那样,量子物理可以推导出一个不需要起因的宇宙——就像其展现了原子内的电子是如何毫无缘由地改变轨道一样。量子世界中不存在明确的因果关系,只存在可能性。卡罗尔是这样解释的:“在日常生活中,我们会谈论前因后果。但我们不必将这种思维应用到整个宇宙之中。‘宇宙就是如此’,我觉得这样说没有任何不妥。” 23

这种没有缘由的事件或状态,与科学长期以来形成的理念背道而驰。几个世纪以来,科学一直在尝试着将所有的事件解释为先前事件的逻辑结果。佩奇则认为,宇宙起源之时(无论是在时间混沌的“双向时间”模型里,还是在“无中生有”模型中)的起因和结果没有明确的区别。佩奇和一些物理学家们认为,如果因果关系在宇宙起源之时的量子迷雾中消融了,那我们生活的世界里的因果关系还可靠吗?虽然如今的世界与大爆炸在时间上相隔久远,但二者肯定同属于一个现实之中。“因果关系不是宇宙的基本法则,”佩奇说道,“它只是我们从经验中总结出来的粗略的概念。” 24 绝对的因果关系可能只是一种错觉,是我们的大脑和科学用以理解世界的一种方式。

我们似乎遭受了猛烈一击。因果关系这块基石之上出现裂缝,会给哲学、宗教、伦理学等诸多其他领域带来震动。如果没有绝对的因果关系,那我们人类该如何做决定呢?先前的事件和条件,与突然的冲动,甚至是无因可循的行为之间又是什么关系呢?责任制呢?做决定是微妙而又复杂的心理过程,倘若前因后果只是一种模糊的关系,而我们又不知道它的触发临界点在哪里,那我们的决定将因为没有确切的依据而显得脆弱不堪。

量子宇宙论引导我们去思考存在的根本,去问出那些我们很少会想到的问题。我们大多数人的目标,是在不过百年或者更短的一生中,在一幢小小的房子里创造舒适的生活。我们吃饭,睡觉,工作,付账单,有爱人和孩子。有些人建设城市或者创造艺术。但在享受奢华的心灵自由的同时,还有更重要的事情值得关注——仰望天空。空间会永远延伸直至 无限 吗?又或者,其实它是有限的,但没有边界或边缘,就像球体的表面?这两个问题的答案都令人不安,且难以理解。我们的太阳和地球从何处而来?我们又从哪里来?很快,我们便会意识到自己对周遭世界的经验是多么有限。我们以介于原子和恒星之间的身躯所看到和感受到的,不过只是波谱的一小段,现实的一角。

20世纪40年代,美国心理学家亚伯拉罕·马斯洛(Abraham Maslow)提出了“人类心理需求层次”的概念:最底层是最原始、最迫切的需求,最高层则是底层需求得到满足的幸运者们的最崇高、最卓越的需求。金字塔的最底部是满足生存条件的物质需求,如食物和水。往上是对安全的需求。再往上是爱和归属,然后是自尊,最后是自我实现的需求。马斯洛所提出的需求的最高层次是充分发掘自身,成为最好的自己。我认为,金字塔的顶端之上还应再加一层:想象与探索——想象新的可能性的需求,超越自己,进而探索周遭世界的需求。这种需求不正是驱动马可·波罗、达·伽马和爱因斯坦取得成就的动力之一吗?我们不仅要满足自身对物质生存条件、人际关系或发掘自我价值的需求,更要认知、理解我们身处的这个陌生宇宙,探索量子宇宙学家们提出的那些真正重大的问题的答案。这一切是如何开始的?答案远远超脱于我们的生活,远远超脱于我们的社区、国家、地球,甚至太阳系。宇宙是怎么诞生的?能够提出这样的问题对人类来说是一种奢侈,但又何尝不是一种需求。 Z9+qsfZmzYg4yH2jO7YeGcH1/GDwNw1GOXSvdR5sVKSYtlFi0msCL7nbcBku/ami

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