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物理学中的无中生有

2006-06-16  恆先無有
作者:吴忠超    文章来源:选自《读书》1994年第3期    点击数: 126    更新时间:4/21/2006

    本世纪初,物理学经过了剧烈的挣扎以后以一种崭新的面目出现,其主要成果是量子力学和相对论。近一个世纪以来人类正充分地体验着这种变革带来的幸福和灾难。半导体、计算机、激光、原子弹即是明显的例证。量子力学的哲学含义迄今还很不清楚,而相对论尤其是广义相对论对时间、空间甚至人们居住的宇宙的观念的变革的影响既深又远。要想对这些观念有浅显而正确的了解,必须艰苦地克服许许多多常识的和直觉的错误。

 

    爱因斯坦曾经设想过我们的宇宙空间也许正如一个三维的球面,它虽然体积有限,却没有边界。我们如果一直往前进,最后又会从后面回到出发点,正如绕着地球作环球旅行,并不会到达所谓的宇宙边缘。当然地球的表面是二维的,而宇宙空间是三维的。

    爱因斯坦设想的这种旅游可在静态的宇宙中实现。宇宙是静态的还是演化的,这个问题只有在哈勃发现了红移定律以后才清楚。他在20年代发现,从远处星系来的光谱都有红移的效应,而且其红移量和星系的遥远程度成正比,这可以解释成整个宇宙正在膨胀。若在时间上倒溯回去,就可以估计出宇宙在一百五十亿年前处于一种极其紧致的状态,并具有极高的温度。这就是所谓的大爆炸奇点。现在的宇宙的太空中具有绝对温度为三度的背景辐射即是大爆炸的残余。这么低的温度下的辐射处于微波波段,所以称为宇宙背景微波辐射,它是在非常偶然的情形下于1965年被发现的。

    人们对大爆炸奇点又惊又喜,喜的是整个宇宙发轫于此,惊的是在奇点处物理定律、空间时间甚至因果律都不成立。人们对它真是束手无策,因为谁也不知道会从奇点冒出什么东西来,而宇膏晗恰是从这里演化而来的。

    人们也许会说,这都是现代宇宙论造的孽。其实不然。在哈勃红移定律发现之前,人们以为宇宙是静止的,那些栖息其中的芸芸众生在津津有味地进行着物竞天择,而无动于衷的宇宙总是慷慨地为之提供永恒的背景舞台。即便如此,牛顿在奠定了经典力学和微积分基础之后,就曾经思考过宇宙的初始态问题。他坚信宇宙在上紧了发条之后即严格地遵循着他的定律演化,但究竟是谁在太初给宇宙上紧发条的呢?这大概只能是造物主吧!我们的确是被造物主玩弄于股掌之上。这就是所谓的第一推动问题。而热大爆炸宇宙论中的奇点只不过是将以为是无限久以前的太初移到了有限的过去,使问题变得更尖锐而已!

    本世纪60年代在天文学上积累了许多新观测,如类星体和中子星的发现,兴起了相对论性天体物理研究的热潮,并刺激了广义相对论本身的研究。广义相对论被认为是最美丽的物理理论,爱因斯坦曾解释和预言了三大验证,即水星近日点进动,光线折射以及大质量附近原子光谱的红移。爱因斯坦方程是非线性的,这样它就把物质之间的引力作用也包容进去。这在理论上是简单,而简单即是美。任何尝试求解它的人都会体验到该方程的内在协调以及数学上的艰深。实际上,在60年代一批有才识的青年被吸引到这个领域之前,广义相对论的研究从爱因斯坦的成果后进展甚微。它基本上成为一个应用数学而不是理论物理的分支。在这个历史背景下,出现了一位物理学奇才霍金。霍金是自爱因斯坦以来最杰出的理论物理学家。他的黑洞蒸发理论和量子宇宙论不仅震动了自然科学界,而且对宗教和哲学也有深远影响。霍金生于l942年,生日刚好是伽利略三百年祭日,这似乎注定了他一生的使命。他出生于英国牛津,在牛津受完大学本科教育后,即转到剑桥念研究院。这位人物正是出现于60年代和剑桥这个历史和地理的时空交汇点上。剑桥是经典力学和电磁学的发轫之地。电磁场理论的创始人马克斯韦即是在剑桥卡文迪许实验室度过他的科学生涯的。这里曾出现过无数文化巨人,如诗人弥尔顿、拜伦,科学家达尔文、卢瑟福、汤姆逊,哲学家罗素,经济学家凯恩斯……1979年底当我第一次从伦敦乘火车去剑桥时,在英格兰多变的阴霾的天空下,远眺开阔的牧场、乡村和森林尽头出现的剑桥国王学院建筑群的剪影,不禁涌上缅怀前贤的幽思:此处是科学的麦加。

    霍金在大学本科毕业时即患了不治之症:卢伽雷病。在剑桥初期尚能拄拐杖行走,后来就只能被禁锢在轮椅上了。我第一回在系里见到他时真是大吃一惊,他斜躺在轮椅上,绝大多数时间都低垂着头,要用很大的努力才能把头举起,时时需要别人为之调整一下轮椅上的姿势。他用几根指头操纵轮椅的电开关。他的变形的声音常人听不明白。他说要是到中国讲演的话,先要把他的语言翻成英文,再从英文翻成中文。他l985年时去了一趟中国,也的确是这么做的。

    就是这样的一位残疾人,当时即已被世界公认为引力物理的巨人。他是被选进皇家学会的最年轻的会员之一。他和埃利斯合著的专著《大尺度时空结构》是引力物理的经典。这本书的前半部证明了彭罗斯和他合作的奇性定理,即是在非常一般的物理条件下,广义相对论会导致时空的奇点,典型的例子便是黑洞中的奇点以及大爆炸奇点。该书的后半部即是著名的黑洞面积定理,黑洞的表面积只增不减,如果两颗黑洞合并在一起,合并后的黑洞表面积比原先两个黑洞表面积之和更大。人们发现这种性质和熵相类似,后来果然证明了黑洞表面积即是它的熵的量度。

    霍金划时代的贡献是1974年发现了黑洞辐射机制。黑洞的表面在经典物理中是一种单向膜,任何物体一旦越过这表面就再也不可能返回。也许人们在越过巨大黑洞的表面时并没有觉得有什么异样,但一旦进入就难逃撞上奇点粉身碎骨的命运。霍金考虑了黑洞表面附近的量子起伏,发现起伏产生的粒子对中的一个会逃逸到远处,这些粒子流就像是从炽热黑体辐射出来似的。这种辐射的温度和黑洞质量成反比,所以在辐射的晚期,黑洞质量变得非常小,温度也就变得非常高,黑洞就在爆炸中结束。黑洞辐射机制把引力论、量子论和统计力学统一到一起。它是量子引力论的前兆。二十年来全世界多少最优秀的头脑都为实现量子引力论而奋斗,提出了形形色色的奇思异想,但人们只能绝望地承认,霍金辐射是迄今为止唯一的坚实的预言。霍金辐射已使他的名字在科学史上不朽。

    他在1980429被选为卢卡逊教授。他因此在剑桥的老卡文迪许实验室发表演讲(这篇讲演已被收入最近出版的《霍金讲演录》中)。我记得他在轮椅上用那种无人通晓的语言说:“今天我不打算自己讲,让我的助手宣读讲稿。”这种仪式并无任何新奇之处。但是,如果我们知道他的一些前任,就知道这是他生涯的巅峰了。牛顿是第二位担任这一教席的。他的前任还包括拉摩、爱丁顿和狄拉克,后者是量子力学的奠基者之一。

    由于80年代初在粒子物理方面的进展,使得极早期宇宙的研究得到人们的青睐,这就是暴涨宇宙模型研究论文数目暴涨的缘由。霍金在剑桥组织召开了一次会议,邀请全世界专家参加并编成一本《极早期宇宙》的文集,这本文集已成为极早期宇宙研究最重要的文献。1983年夏天他带了一本到威尼斯附近的帕多瓦的世界引力会议上。帕多瓦大学是伽利略任教过的古老大学。会议设在市政厅,这本书就供与会者赏玩,会后却不翼而飞。霍金知悉后非常高兴,因为这表明该书很受欢迎。

    他对极早期宇宙的兴趣是醉翁之意不在酒。他的最大野心是要一劳永逸地解决从牛顿以来就一直困扰人类的第一推动问题。他早年证明的广义相对论的奇性定理表明,奇点也就是时空的边界是不可避免的,而第一推动问题正是和时空边界相依存的。所以为了排除第一推动问题,就必须寻求一种无边界宇宙的模型,这只有在量子力学的框架中才能实现。他的这种思想孕育于l982年参加梵蒂冈宇宙论会议之时。他和教皇保罗二世两次戏剧性会面的令人感动的场面在他的著作和传记中都有生动的记载。

    由于宇宙是包容一切的,在宇宙之外不应该存在任何东西。所以要询问宇宙从何而来的问题,其答案只能是,宇宙是从无中产生出来的,无的威力是无敌的。顺便提及,在闭合的宇宙中总能量就是零,这个事实和无中生有的思想是相符的。但是宇宙的无中生有的思想比这要深刻得多,无不仅是没有物质没有能量,甚至连时间空间都没有。根据这种观念,霍金认为宇宙是没有边界的,不管在空间的意义上,还是在时间的意义上来讲。宇宙的边界条件是它没有边界。这样甚至上帝也没有存身之所了。看来他是最彻底的无神论者了。

    他认为时空可以用四维的球面来描述,只比爱因斯坦三维空间的球面模型多一维。人们经常要问的问题是,在大爆炸之前宇宙是什么样子的?他讲在临近大爆炸奇点处量子引力的效应非常显著,时间变成虚的,从而和空间不可区分,可以说宇宙成为既没有开初也没有终结的四维球面。如果要问在此之前发生了什么,正如同有人要问在地球表面上比南极更南一百公里处在什么地方一样,是没有意义的。他说他虽然没有到过南极,但他坚信,在南极之处不会有什么异常发生。他的模型只是比地球表面多二维罢了。这样,在经典模型中的大爆炸奇点在量子宇宙学中就被抹平了。

    这个无边界宇宙模型能做出许多预言,比如空间必须是均匀的和各向同性的;时空是平性的,即宇宙可演化足够长的时间,它的演化不应太激烈以使我们的星系乃至生命有足够演化的时期,并使智慧得以成熟到能询问这些宇宙学的问题;宇宙的成团的物质结构起源于这个背景下的量子起伏;太空中存在着可被检测到的太初引力波;宇宙常数为零;宇宙是宏观四维的,一维时间,三维空间;宇宙的无序度即熵随时间增加,这就决定了时间箭头的方向……其实在摒除了第一推动之后,在原则上,宇宙中的一切都可仅仅由物理定律而预言出来。

    霍金的量子宇宙论对宗教和哲学的冲击是显而易见的,它以极其鲜明的形式扫清了沉积在人们观念中的陈腐观点。它的哲学和美学魅力吸引了千千万万有教养的人士,这正是他的通俗著作《时间简史》能够家喻户晓的原因。

    中国的《道德经》中早就有宇宙是无中生有的天才思想,两千多年后人类才得到这种思想的科学描述。只有扫除许许多多想当然的偏见,科学才能前进,我们只要回顾一下从托勒密系统到哥白尼系统的进展,就可领会到这一点。

    宇宙论是新思想和新观念的摇篮,它要服从物理定律,而物理定律又在宇宙论中得到超越和升华。这是因为宇宙这种研究对象的唯一性引起的,又由于研究者根本不可能站在宇宙外面去审视它,这是一种自我反馈的过程。另一种类似的情形是思维科学,人们研究思维科学时必须用思维。这里很难将主体和客体相分离,这也正是科学成熟的标志。自然,科学家还任重而道远得很。

 

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