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荒原 2006-11-20 23:08 说明:我们所面临的不仅是一场技术革命,而且是一场历史革命.我们应当对科学、哲学和历史学进行全面认识。这里我发表一组文章探讨对当代科学的全面认识。这是我书中的一节.特摘录在此。 一百多年前，对于牛顿科学而言，正处于一种迷茫、期待、希望和恐惧之中。几乎全球的科学家都力图用各种计算、实验和观测寻找着科学的本质和基础，用他们无限的心血和颤微微的手小心翼翼地扶着风雨飘摇中科学大厦。然而，旧的科学框架最终也没有能够挽救到旧科学体系的生命。不过，这个从旧的生命中孕育出来的新生儿，并不是对“父母”的反叛者，而是继承了父母有益的血统，并被注入了新的血液。从而，原有的体系不是被消灭，而是新的科学大厦更加强大、坚固和辉煌。 一百年后的今天，科学又来到了这样的时刻。不过对于今天，尽管新生儿在30多年前就诞生了，但对于科学的心态而言，却好似仍然处于激情昂奋的幻梦之中：不少人都相信宇宙起源于一次大爆炸，他们都在用旧的科学理论——爱因斯坦的相对论计算宇宙的过去和未来——就正如当年用牛顿理论计算宇宙的过去与未来一样。 今天的科学家们不仅在做实验，而且还有了无与伦比的科学工具——哈勃望远镜。然而，与当年十分相似的是：人们仍然在用陈旧的木料打造一只到处漏水的“桶”。当年的科学家们绞尽脑汁，力图用第一推动力、以太等来弥补这些漏洞。但这些漏洞终究没有补上，到是用新的科学思维制作了一只崭新的“水桶”。这只水桶已经用了近100年了，随着人们的视野扩大，它也逐步开始漏水了。很有意思的是，当科学发现它开始漏水的时候，人们又力图去补它。不补不要紧，反而越补越漏，于是补漏的材料也越用越多。当年补牛顿的漏洞所用的“材料”只有一种——以太，而今天所用的材料却多得眼花缭乱：大爆炸、暗物质、暗能量、时空隧道、虫洞、宇宙地心说、时间机器、黑洞、白洞、宇宙膨胀、红移……，等等。那么我们来看看以霍金为代表的科学大师们是在如何打造这只桶，以及那些地方在漏水，同时他们又是怎样用他们天才的手法来补漏的。 对于宇宙的生成，还有一个模型就是“大爆炸”模型，即，认为宇宙起源于一次“大爆炸”。这次大爆炸最开始是一个无限小的质点，爆炸后就使得宇宙以光的速度迅速膨胀，由此便形成了宇宙。而且宇宙还在继续膨胀。这就是宇宙大爆炸的基本模型。 关于宇宙的起源，霍金的大爆炸模型是当今最流行的，甚至于好像已经成了科学定论一样。要对这一混乱的概念有一个清楚的了解，我们就必须弄清楚大爆炸理论的来龙去脉。总括起来，我们需要按照以下思路进行思考： 第一， 科学依据，也即是说，大爆炸理论的理论依据在哪里？到底有多深？基础有多坚实？ 第二， 大爆炸理论的事实依据； 第三， 实践的检验。 1． 关于霍金的数学模型和理论计算 霍金的大爆炸理论之所以让全世界的许多人崇拜，很重要的一个原因就是说他的理论是根据爱因斯坦的相对论计算出来的——就像牛顿用数学公式计算出上帝的存在那样。我原也信以为真。但当我读了爱因斯坦的一些书以后，这才感觉到，爱因斯坦并没有说他的理论在任何范围内都是真理，甚至可以推演到整个宇宙的过去和未来，即，推演到整个宇宙的时间尺度和空间尺度。而与此相反，他恰恰表现出他对他的理论的普遍性感到困惑和绝望，并已明确声明他的理论在宇宙的终端是要失效的。关于这一点，我们还是用霍金自己的话来说吧。 在回忆大爆炸理论的来龙去脉的时候，他说道：“哈勃关于宇宙膨胀的发现，并意识到我们的行星在茫茫的宇宙中的微不足道，只不过是起点而已。随着实验和理论证据的积累，人们越来越清楚地认识到，宇宙在时间上必须有个开端。直到1970年，在爱因斯坦的广义相对论的基础上，这才被彭罗斯和我所证明。这个证明显示，广义相对论只是一个不完全的理论，它不能告诉我们宇宙是如何开始的。因为它预言，所有包括它自己在内的物理理论都在宇宙的开端失效[1]。然而，广义相对论宣称自己只是一个部分理论，所以奇点定理真正所显示的是，在极早期宇宙中有过一个时刻，那时宇宙是如此之小，以至于人们不能再不管20世纪另一个伟大的部分理论——量子力学的小尺度效应。20世纪70年代初期，我们被迫从对极其巨大范围的理论研究转到对极其微小范围的理论研究。”[2]看来大爆炸理论也仅仅是依据“在宇宙终端要失效的理论”——广义相对论所建立的一个数学模型而已。 我们应该特别注意到，爱因斯坦认为的他的理论在宇宙的终端，即时间坐标的终端——宇宙的起源和空间的终端——宇宙的边缘是不适用的，并不是因为这里被抽象成一个奇点而不适用，而是在这里是一个较宽的区域，由于不可逆性质的存在，所造成的一切可逆的运动定律的失效。即，在这个区域里，△S = >0，因而不能够把它简化成可逆的运动来处理。而霍金恰恰用了可逆的数学模型来计算宇宙的起源。前提都不正确，我们当然有理由怀疑他的结果的正确性。特别是我们应当把爱因斯坦的相对论与大爆炸理论区别开来。说实话，由于受到许多宣传的影响，原来我也把这两者混为一谈。 2． 关于宇宙膨胀的实验观测 霍金的大爆炸理论受到追捧的另一个支柱是所谓的实验观测。那么，我们再来看看关于宇宙膨胀的实验观测到底是怎么一回事呢？ 大爆炸理论之所以得到全世界的欢呼声，一是打着爱因斯坦的招牌，另一个是打着哈勃的招牌。1990年4月25日，美欧联合研制的哈勃空间望远镜由“发现”号航天飞机送入地球轨道，以探索宇宙的奥秘——这项计划已取得了远远超出预期的效果。十多年来，哈勃望远镜共为我们传回了大约5万多张高质量的精美图片，而这些图片所展现的许多天体我们似曾相识，但更多的是黑洞、衰亡中的恒星和遥远的星系等陌生的图象……，哈勃望远镜成为了探索宇宙秘密的重要工具。 然而，当天文学家借助于现代工具，对宇宙进行实施大规模观测以后，霍金很快就抓住了一些猜测，并把事实扩大，造成了一些印象，似乎可以肯定宇宙的边缘发现了红移现象，由此认定宇宙仍然在快速膨胀。从而找到宇宙大爆炸理论的实验支持。由此，宇宙大爆炸理论似乎就像铁钉钉木一样完全确定了。那么，宇宙边缘是否真正在红移呢？宇宙是否真正在膨胀呢？膨胀的模式是怎样的呢？是否是像爆炸那样的膨胀？等等，这些问题都是需要仔细考察的。首先，我们来看看宇宙红移是怎样出笼的。“1998年，两名科学家组成的研究小组对一颗正在遥远星系爆炸的恒星即超新星进行观测后，发现它们的亮度比预期的要暗。这意味着它们的位置比预想的位置要远，换言之就是它们正在远离地球。这个发现，震惊了科学界。” 这段话是从中国科学院国家天文台副研究员陈大明在科学动态上的一篇文章摘录下来的。从这里可以看到，超新星的亮度比预期的要暗得多就证明了宇宙在红移，于是就证明了宇宙在膨胀，其理由并不是十分充分的。不要说在遥远的宇宙，就是在夜晚我们看见对面山上的一盏灯，如果它的亮度比预期的要暗，难道我们也说那盏灯在红移、在膨胀吗？即使在霍金的《时间简史》中所罗列的证据也无法真正证明宇宙正在快速膨胀。快速膨胀只是霍金理论中所要求的一个想象而已。要真正证实宇宙在进行霍金想象的那种“爆炸式的膨胀”还需要更加有力的证据。 事实上，宇宙的膨胀也许是他心里的渴望而已。他说：“我们实在的宇宙具有巨大的质量，如果没有外在的能量支撑，它怎么不会坍塌呢？这样简单的道理为什么别人没想到呢？”霍金为此感到疑惑：“宇宙膨胀的发现是20世纪最伟大的智慧革命之一。事后想起来，何以过去从来没有人想到这一点？！牛顿或其他人应该会意识到，静态的宇宙在引力的影响下会很快开始收缩。”[3]原来宇宙的膨胀与坍塌仅仅是对宇宙质量的惯性力和引力之间的平衡而已。而事实上，从现在的有机运动和生命科学来看，有机体中的运动远比这种简单的力平衡要复杂得多。就连中国九万多年前的伏羲、3000年前文王和2500年前的老子都知道，单一的“力”不可能形成任何事物，这也包括宇宙。难道这种简单的“爆炸”力就能说明今天变化无穷的宇宙的生成原理吗？一个幼稚的思维怎能了解苍穹的秘密？如果宇宙的生命真的像小孩跳橡皮筋那样简单，我们还能看见今天井然有序、变化无穷的日月星辰？ 3．实验检验——大爆炸理论与现实科学和宇宙真实图像的冲突 众所周知，无论多么伟大的科学定律都需要用实践的检验。如果，哪怕有一个反例存在，这种理论都不能成立，而必须修正。我以为，宇宙大爆炸理论在与现实真实事实的冲突不是一个方面，而是像一个用破木版做成的桶，到处漏水。当然，大爆炸理论的高明之处就在于他所用到的大部分“实验”数据都来自于看不见、主观意想的猜测，同时对我们身边的事实而又全然不顾。下面，我们来看看这种理论究竟有那些地方需要补漏： ① 现实宇宙需要暗物质和暗能量 由于宇宙的快速膨胀，如果没有质量的补充，假设再过一个现在的宇宙年龄，即，150亿年左右，现在宇宙中的质量就只剩下12.5%。因此，如果要保持现有的星球密度，就需要大量质量来补充。所以，很多人就猜测，宇宙中有大量的暗物质存在。据推测，现在的可见物质只占总物质的24%左右。第一，谁也没见过暗物质，也没有见过暗物质转变为显物质的直接证据；第二，即使存在，并将全部暗物质变为显物质，再过150亿年，宇宙中的物质密度也只有现在的87%左右。如果再过150亿年，宇宙的物质密度只有现在的1/125，即使把全部暗物质也考虑在内，其物质密度也只有现在的1.4%.这实在太可怕了。所以霍金说，300亿年，谁还考虑那么远呢？！ 宇宙膨胀，不仅需要大量的物质补充，由于要克服宇宙中巨大的引力作用，还需要大量的能量补充。因此，还需要假设现实的宇宙中有大量的“暗能量存在”。经估计，这些暗能量也占总能量的70~80%。不过，这些能量也终究有耗尽的一天。到那时，宇宙又跳起了橡皮筋，又会从膨胀收缩回来了，使宇宙重新成为一个“冷”宇宙。这与“热寂说”有什么区别？。 ② 宇宙的中心问题 大爆炸理论还有层出不穷的问题。比如，因为观测发现，宇宙的膨胀是各向同性的，也即是说，它在向每一个方向均匀膨胀，这就要求观察者必须处在宇宙的中心。于是——古希腊时代的地球中心说又复活了！我们真的无法想象，除了宗教还有谁相信上帝真的把我们安排在了宇宙的中心？ ③ 时间反演问题。 在大爆炸理论中最大的一个漏洞应该算时间反演问题了。众所周知，历史不可以倒流，时间不可以反演。但经典的物理学恰恰就是关于时间对称的科学。正是由于这个原因，爱因斯坦承认他的理论并不能够严格有效。但霍金却发挥了他的超级想象，用天才的辩解来为时间能够反演辩护。当然，天才的雄辩家也不可能真的把死人说成活人。因而，辩解在科学面前总是那样软弱无力。这倒是让我们看看霍金是怎样为时间反演辩护的很有意思。 霍金也承认，在他的理论中也是关于时间对称的。他说道：“当人们试图统一引力和量子力学时，必须引入“虚”时间的概念。虚时间是不能和空间方向区分的。如果一个人能往北走，他就能转过头并朝南走；同样的，如果一个人能在虚时间里向前走，他应该能够转过来并往后走。这表明在虚时间里，往前和往后之间不可能有重要的差别。另一方面，当人们考察“实”时间时，正如众所周知的，在前进和后退方向存在有非常巨大的差别。这过去和将来之间的差别从何而来？为何我们记住过去而不是将来？科学定律并不区别过去和将来。”[4] “科学定律并不区别过去和将来”所指的仅仅是经典物理学，包括牛顿力学和爱因斯坦的相对论、量子力学等，而并不是一切科学都不区分过去和将来，热力学就是其中的典范。热力学第二定律就是典型的不可逆定律。霍金把他的时间对称解释为一半在现实世界中，而另一半则在虚幻世界中。这就违背了科学的最基本要求——可检测性要求，也违背了真实世界的运动特性。难道科学是可以用虚幻的幻觉来解释现实的吗？ 根据霍金的这个时间对称理论，人们又设想出“虫洞”来。即，可以通过虫洞，或时空隧道回到宇宙的发源地，人类也能够去看数百万年前的老祖宗等等离奇的幻想。比神话还玄的东西也在“科学”的旗帜下诞生了！由于这些幻想太离奇，霍金又赶快出来补这些漏洞。下面我摘录了张欣先生的文章[5]来予以说明。当然张欣先生为了维护霍金的原意，也大部分是摘录霍金本人的文章和讲演。 二．时序保护猜想——物理学定律严禁时间机器 1992年，霍金提出一个能维护时间次序的“时序保护猜想”[6]：物理学定律严禁时间机器。所谓“时间机器”，就是违背因果律而能将时间倒转回到过去的旅行机制。许多科幻小说都描写了这一神奇现象。最早于1937年，司托库姆(J.van Stockum)发现了爱因斯坦场方程的一个解，它描述一个快速旋转的无限长柱体起着时间机器的作用。但是人们认为实际上不存在任何“无限长”的物体而否定了它的真实性。后来人们又通过虫洞、宇宙弦等奇异物制造了时间机器。但是物理学家已经证明，与实验吻合的物理学理论绝对不会违背因果律。1988年，霍金的好朋友索恩(K.S.Thorne)和他的学生们的文章“虫洞、时间机器和弱能量条件”[7]发表，引起了很多评论和误解。一些报刊上出现标题为“物理学家发明时间机器”的文章。索思本人说：“就算物理学定律允许时间机器（事实上，我怀疑这一点），人类现在的技术能力离这时间机器的实现还远得很，比洞穴野人离太空旅行还要遥远。”[8]霍金对时间机器提出了严厉的批评。他幽默地说：“我们还不清楚在一个黑洞中究竟会发生什么。广义相对论的方程允许这样的解，允许人们进入一个黑洞并从其它地方的一个白洞里出来。白洞是黑洞的时间反演。这似乎为星际的快速旅行提供了可能性。麻烦在于这种旅行的速度太快了，以致于如果通过黑洞的旅行成为可能，则似乎无法阻拦你在出发之前已经返回。那时你可以做一些事，比如杀死你的母亲，因为她一开始就反对你进入黑洞。看来物理学定律严禁这种时间旅行，这也许对于我们（以及我们的母亲们）的存活是个幸事。似乎有一种时序保护机构，不允许向过去旅行，这使得这世界对于历史学家是安全的。如果一个人向过去旅行，将会发生的是不确定原理的效应在那里产生大量的辐射，这辐射要么把时空卷曲得太厉害以致不可能在时间中倒退回去，要么使时空在类似于大爆炸和大挤压的奇性处终结。不管哪种情况，我们的过去都不会受到居心叵测之徒的威胁。最近我进行的一些计算支持这个时序保护假设。其实，我们不能进行时间旅行的最好证据是，我们从来没有遭受到从未来来的游客的侵犯。”[9]霍金认为，大自然憎恶时间机器。他指出：“当我们想做时间机器时，不论用什么样的事物（例如虫洞、旋转柱、宇宙弦或其它什么东西），在它成为时间机器前，总会有一束真空涨落穿过它，并破坏它。”他还说：“自由意志的概念和科学定律属于不同的范畴。如果人们想从科学定律推出人类行为的话，他就会在自参考系统的逻辑二律背反中陷入困境。这正如时间旅行若可能的话人们会遇到的麻烦，我认为永远不可能作时间旅行。”[10] 我相信，任何人看了霍金的演讲会觉得他与任何一位伟大的演说家和神学家相比都毫不逊色。不过科学不需要这样的精彩的讲演，更不需要神的帮助，而仅仅需要简单的事实而已。 ④ 宇宙的有序问题 早在几万年前中国人就知道了宇宙是一个有序运动的整体。那么，大爆炸理论如何解释宇宙运动的有序呢？作为一个严肃的科学家霍金既然研究的是宇宙的起源问题，当然应该对宇宙的有序运动的形成机理作出清楚的解释。哪怕是像对时间反演那样的初浅的、幼稚的、梦幻式的唯心主义解释也能使人稍有安慰。但是对宇宙的有序解释，在经典物理学上还没有人开过先河，也不知道从哪里去解释。就正如，没有任何人看见过开山放炮的时候，轰地一声就从地下抛出的石头和泥土排成美丽的图案一样，如果直接说大爆炸也炸出一个精致的日月星辰有序图案来，人们会觉得比时间机器还要离奇和可笑。因此，霍金对宇宙的有序运动的形成问题采取了避而不谈的方式敷衍了事。我以为，仅凭我们身边呈现的这一条事实就足以推翻大爆炸理论。难道我们还需要更多的证据吗？ 用一种机械的时空观来计算有序的、有生命的宇宙就像用泥土来塑造人体一样，无论手法多么高明也不可能捏出一个鲜活的生命来。任何一个天才的大师，也不可能用“可逆”的科学定律来计算生命的演化——就正如用牛顿的力学定律不能计算人的生死一样。因此，任何天才的大师都不可能把大爆炸这只到处漏水的桶补得天衣无缝。 不过，毕竟当代的科学家已经经历了近代科学300多年的思想洗礼，与亚里士多德时代的科学，甚至与十九世纪的科学相比都要表现得更加理智、更加宽容。因而霍金本人对他的理论也没有像许多三流杂志那样为了吸引眼球而把它看得像发现了真实的真理一样。霍金对他的理论也表示过怀疑，他说：“也许这种希望只不过是海市蜃楼；也许根本就没有终极理论，而且即便有我们也找不到。但是努力寻求完整的理解总比对人类精神的绝望要好得多。”[11]当然，如果以这种心态来对待科学，我们仍然要对他表示钦佩和赞颂。不过，也从这里道出了霍金的思想天机——大爆炸理论与其说是科学理论，不如说是文化理论，甚至是宗教学说；与其说是科学精神，不如说是文化精神——以此对人类心灵的慰籍。 |
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