财新传媒
位置:博客 > 朱也旷 > 宇宙学家的裸奔和艺术创造

宇宙学家的裸奔和艺术创造

当宇宙学家带着伽莫夫理论的胜利余威继续向宇宙的“开端”挺进时,他们面临的窘迫是前所未有的:已知的物理学知识此刻全部失效。这意味着,宇宙学家的处境并不比那些前苏格拉底哲学家好多少,区别在于:前者拥有全部失效的理论,后者没有理论。

 

朱也旷

 

1

热大爆炸理论从诞生之日起就带有戏谑的味道。论文发表于1948年愚人节的《物理评论》(Physical Review)上,原本有两位作者,伽莫夫(George Gamow)和他的学生阿尔弗(Ralph Alpher)。为了凑成希腊字母的前三个αβγ,伽莫夫又心血来潮地拽上不相干的贝特(Hans A. Bethe)博士入伙。在很长一段时间里,这个离奇的理论基本上被当成是一个笑话或纯粹的智力游戏。没有人认真对待它。毕竟霍伊尔(Sir Fred Hoyle的稳恒态宇宙理论在当时更符合人们的直觉。

然而伽莫夫的智力游戏却得到了观测证据的有力支持,当初的笑话遂成为堪与达尔文的进化论媲美的科学理论。达尔文的理论认为,地球上的芸芸众生,从小草到大树,从蚂蚁到大象,都是从一些简单的生命形态演化而来的;而热大爆炸理论认为,我们的宇宙万物,从质子、中子到周期表中的元素,从恒星、行星到星系群,都不是自古如此,而是从处于高温、致密状态下的“基本”粒子演化来的。通俗地讲,宇宙是从一颗葡萄柚大小的火球,经过膨胀冷却,逐步演化成今天这个样子的。不过有些物理学家(例如北京大学的俞允强)可能会皱着眉头提醒道,这样理解并不准确,因为这意味着宇宙是有界的,而宇宙未必是有界的。那么这颗火球或宇宙蛋又是从哪里来的呢?这就涉及到了更早时期的宇宙的形成。对这个问题,目前最好的回答是阿兰·古斯(Alan Guth)的暴胀(inflation)理论。这个更离奇的想法可以用石破天惊形容,因为它需要早期宇宙在极短的时间内疯狂地加速膨胀。自从暴胀理论提出以来,涌现出了五花八门的早期宇宙模型。这些模型堪称是智力上的杰作。不幸的是,它们中的一部分被抛弃了,另一部分虽然幸存下来,却像叫花子一样缀满了补丁,因为惟有不断地缝缝补补,才能与新出现的数据相吻合。这与伽利略所创立的科学是同一种科学吗?伙计们,你们还是客观、诚实的科学家吗(原话是,即使是[在问题日益严重的]现在,宇宙学圈子都还没有冷静、诚实地对待大爆炸-暴胀理论?有人,主要是普林斯顿大学的斯坦哈特(Paul J. Steinhardt),在20172月的《科学美国人》上不满地吐槽几句[1],结果遭到数十位著名科学家的群殴,包括阿兰·古斯、威滕、霍金以及4位诺奖得主。他们组成了一个保卫暴胀的公司,且不是有限责任公司,而是无限责任公司。

Paul J. Steinhardt

斯坦哈特是普林斯顿大学的教授,暴胀理论的第一个具体模型就是他和阿尔布莱希特(Andreas Albrecht)于1982年设计的,据说大多数后来的模型都是以它为原型的。这样一个浓眉大眼的人物叛变了革命,自然让人不快。暴胀会导致永恒暴胀,从而导致数不胜数的多重宇宙。这个理论还对初始条件高度敏感,就像伽莫夫的理论一样。斯坦哈特不喜欢这些奇奇怪怪的东西,于是开始怀疑所谓的暴胀是否真的发生过。但暴胀也有非同寻常的好处,它解释了令人头疼的平坦性问题和视界问题;至于星系结构的种子问题、磁单极子问题等,也能得到合理的解释。这也是许多人偏爱它的原因。斯坦哈特对此视而不见,一双严厉的眼睛老是盯着阿喀琉斯的脚后跟不放。其实要反对斯坦哈特的异见,一个人写篇文章就够了,为什么要这么多人签署联名信呢?这一不太正常的局面本身就意味着,尽管目前的宇宙理论很流行,很时髦,问题并没有获得圆满解决,甚至存在令人难堪的难言之隐,而斯坦哈特竟敢把小圈子里的隐私公诸于众!

迄今为止,有一些观测证据支持暴胀理论的预言,但没有哪一个是决定性的。大多数物理学家同意,假如能够发现原初引力波,那无疑是有力的支持。2014年春天的一个早晨,哈佛大学的科瓦奇(John Kovac)宣布,经过长达三年的努力,他们在南极的望远镜BICEP2发现了它的踪迹。暴胀留下的蛛丝马迹终于找到了,宇宙起源的最后一块拼图完美无缺地补上了。科学界最初的反应是一片欢腾,不久从内部传出令人不安的窃窃私语:普朗克卫星并没有发现同样的结果。渐渐地,窃窃私语汇成了一股质疑的洪流。一年后,论文被撤销了,原来这是一个乌龙球,科瓦奇观测到的是银河系中尘埃的极化效应。换言之,是不请自来的“背景噪声”雀占鸠巢。原初引力波至今仍杳无踪影。不过古斯在联名信中辩解道,就连原初引力波也不是必要的,因为也有一些模型不必产生这种微弱的涟漪。这既说明了理论的弹性,同时也表明,原初引力波不是一个像氦元素丰度那样的证据。假如在宇宙中发现一颗氦元素丰度为零或者低于氢丰度23%的恒星,伽莫夫的宇宙蛋就要扯到蛋了;但是,假如没有找到原初引力波,暴胀理论依然可以安之若素,不动如山。

 

2

今天的物理学家拥有强有力的理论——广义相对论、量子力学、热力学等,拥有昂贵、复杂的仪器——大大小小的望远镜和探测卫星,拥有海量的数据以及庞大的人力资源,但是他们仍然无法真正解决宇宙起源问题,也无法确切描述宇宙的未来。这与从米利都学派到原子论派的希腊哲学倒有相似之处。那个时候的哲学家没有方程式,没有观测仪器,以现代的标准看,全都是光着屁股的裸奔者,然而他们却在努力解决万物起源问题。就思想的深刻性而言,那些前苏格拉底哲学家,尤其是毕达哥拉斯、巴门尼德之后的哲学家,与现代的宇宙学家几乎不相上下,仿佛两者之间存在隐蔽的思想连通器似的。宇宙循环论者可以从恩培多克勒那里获得启发。讨论星系结构成长的种子问题的人们或许会发现,阿那克萨戈拉(Anaxagoras)早就思考过类似的问题。德谟克里特认为,苦和甜,冷和热,还有颜色,都是人们的习惯说法,真相是原子在虚空中的运动。这个观点是何等的现代。在希腊语中,原子意味着不可分割,这个特征,倒可以使古老的原子直接抵达宇宙极早期那些比基本粒子还基本的粒子了。而毕达哥拉斯似乎早在2500年前就道出了泰格马克(Max Tegmark)的心声:宇宙不只是被数学所描述,宇宙本身就是数学。对于研究宇宙起源的人,巴门尼德有关存在与非存在的辨析是一个绕不开的话题。对于非存在,你既不可能认识它,也不可能言说,巴门尼德说。爱德华·特莱恩(Edward Tryon)将宇宙起源追溯到一次真空涨落。对很多人来说,这足以表明宇宙是“无中生有”了。但是按照巴门尼德的标准,却不能这样说,因为真空并不是真正的无(nothing),在普朗克尺度上,它充满了量子涨落的喧哗与骚动,而真空的量子涨落既可以由实验来认识,也可以由量子场论的语言来言说。

在晚年的自传中,约翰·惠勒(John Wheeler)记下了他对宇宙起源的思考。他将宇宙的起源与生命的起源做了对比。生命产生于没有生命的物质,生命的形式和演化途径也不止一种,他认为,在这里几率扮演了一个重要角色。

 

由于莫名其妙的几率导致空间诞生,时间诞生,物理定律也诞生了。地球上的生命起源方式或许有其限制,究竟要出现何种现象或许也有限度,并非可以“随心所欲”。不过也并不是“独一无二”。地球上的生命起源自无生命,宇宙也是无中生有。不过这种“有”之所起源的“无”并非真空的无。这是一种更深奥的所谓的虚无,宇宙为什么会出现并产生出现况?宇宙可有其他的存在状态?这些都是未解的问题,也几乎没有人问起。

 

这段话表明惠勒受到了巴门尼德的影响。巴门尼德在存在与虚无之间划了一道明确的、不可逾越的界线,但如果宇宙有一个开端的话(目前很多观测证据指向这一点),那就必定要逾越这道界线,这正是惠勒的出发点。在巴门尼德强有力的影响下,希腊人不承认无中生有,但老子却早就意识到,“万物生于有,有生于无”。从现代宇宙学的观点看,老子的思想是多么深刻。不过巴门尼德的问题依然无法回避:你们所谓的更深奥的虚无究竟是什么?到了1697年,莱布尼茨在思考万物的终极起源时把这个问题变成:为什么有物存在,而无反倒不存在?在英语世界里,这个问题通常表达为:Why is there something rather than nothing这是一个天问。意味着没有时间、没有空间、没有物质……然而亚历山大·维连金(Alexander Vilenkin)说,宇宙可以依据量子物理的几率机制自发产生。他把这种创世称为量子创世(quantum creation。这位任教于美国塔夫茨大学的宇宙学家并不是说说而已,他还建立了一个模型。有模型总比没有模型好。但即便物理定律允许这样的创世,问题依然没完,因为这意味着物理定律存在于宇宙起源之前。换言之,还是有something存在。那么什么才是真正的nothing呢?一想起这个问题,我就头痛欲裂,仿佛触犯了可怕的天条。如果宇宙有什么禁忌的话,那就是绝对的。它卓然独立,超绝于万事万物;看似一无所有,却以整个宇宙为其对立面。

巴门尼德

 

3

宇宙起源对物理常数和初始条件的高度敏感是当代宇宙学的一大心病。要创造一个可供生命繁衍的稳定的宇宙,需要有运气的成分,且不是一般的运气。按照加来道雄的描述,如果质子的质量再多出一点点(譬如1%),原子核就会变得不稳定,原子当然也会灰飞烟灭。如果强核力稍微强一些,恒星里的核燃料就会燃烧得太快,太阳会变得过于灼热,且寿命很短;如果它稍微弱一些,麻烦则更多,没有一种元素可以在恒星内部合成成功……这样的“如果”,物理学家可以开出一长串来。这意味着那些看似普通、随意的物理常数,其实一点也不随意,只要其中一个被改变,哪怕是改变一点点,宇宙就不是现在这个样子,生命也就不会存在。我们的宇宙起源于一起小概率事件,概率小到什么程度?小到用天文学家休·罗斯(Hugh Ross)的话说,可以与“龙卷风在袭击废车场时碰巧完整地装配一架波音747飞机的可能性”相比。于是产生了有争议的人择原理:宇宙之所以被调控得如此精准,是因为不如此精准,我们这些两条腿的动物就不会存在,遑论躲在望远镜后观察宇宙了。似乎宇宙知道我们要来了,物理学家戴森(Freeman Dyson)有一次神秘兮兮地说。这简直就是亚里士多德的目的因在宇宙学中的一个翻版:大自然不会徒劳地做任何事情,对动物是如此,对宇宙也是如此。自从罗伯特·迪克(Robert Dicke)和布兰登·卡特(Brandon Carter)分别提出人择原理的最初表述后,人在宇宙中被哥白尼贬低的地位获得了极大的提升,以至于有人忘乎所以地认为,宇宙中必然会发展出智慧生命,且一旦产生,就再也不会灭绝。还有人相信:“我们对物理世界的科学认识所揭示的这种精妙秩序只能由神性来解释。”这些加强版的观点,自然会引起极大的争议。当我读到有关人择原理的种种表述和争议时,普罗泰戈拉(Protagoras)的话就会时常浮现在耳边:“人是万物的尺度,是存在的事物存在的尺度,也是不存在的事物不存在的尺度。”后一句话听上去像是同义反复的废话,对于喜欢吹泡泡(泡泡宇宙)或者展示“弦景观”的宇宙学家,却显得颇有意味:那些没有人类作为观测者存在的宇宙有意义吗?

当然这样说物理学家可能并不领情。哲学已经过时,是物理学家的普遍看法。多数人对哲学既无兴趣,也谈不上理解。一旦哲学家与物理学家发生争论,获胜的肯定是物理学家,因为后者可以利用知识上的优势,不加掩饰地羞辱对手。在今天,已经找不到像惠勒那样具有深厚的哲学修养的物理学家了。斯蒂文·温伯格(Steven Weinberg)认为,希腊人的科学只有到了亚历山大死后的希腊化时期,才会使他感到亲切;至于苏格拉底之前的哲学,如果一定要称其为物理学或科学的话,会使他感到痛苦。这个观点大致代表了物理学家的感受。然而人文学者却有另一番感受。法国古典学者莱昂·罗斑觉得,随着科学专业化的加强,这个时期的希腊思想已经穷尽了它的创造力,走向衰落了。雅各布·布克哈特早在19世纪就说过,所有后来的对世界的客观理解,都只是希腊人开始搭建的基本架构的某种装饰而已。这个观点大致代表了人文学者的感受(顺便说一句,布克哈特的名言在有些情形下并不正确,例如希腊人对他们所搭建的基本架构——几何公理体系的迷恋就妨碍了数的概念的产生和代数的发展)。两种大相径庭的观点,都不是空中楼阁,背后都有庞大的知识体系以为支撑。当代宇宙学是在全新的观测和挑战下成长的,本质上仍是萌蘖于希腊化时期的数理科学的延续和发展,就精巧、复杂程度而言,却又是古人难以想象的,绝不应该与令温伯格感到痛苦的前苏格拉底哲学相提并论。但的确有一个理由使我可以放心大胆地胡说,这个理由是,当宇宙学家带着伽莫夫理论的胜利余威继续向宇宙的“开端”挺进时,他们面临的窘迫是前所未有的:已知的物理学知识此刻全部失效。普朗克时间所对应的能量高达1019GeV,远超出地球上所能建造的任何大型加速器的能量上限。这意味着,宇宙学家的处境并不比那些前苏格拉底哲学家好多少,区别在于:前者拥有全部失效的理论,后者没有理论。简言之,他们也是光屁股的裸奔者。

 

4

对希腊悲剧情有独钟的尼采也极喜欢那个时代的哲学家,尤其是阿那克萨戈拉。阿那克萨戈拉是伯里克利的老师和朋友,柏拉图说他“沉浸于高贵的言谈,并且洞悉理智和无知的本质”。他后来受到不敬神的指控,被迫离开雅典,亡命在外。在尼采眼中,阿那克萨戈拉与其说是能言善辩的哲学家,倒不如说是怀着敬畏、虔诚之心的艺术家:“仿佛阿那克萨戈拉指着菲迪亚斯(Phidias),面对宇宙这件巨大的艺术品,就像面对巴台农神庙一样,向我们喊道:‘生成不是一种道德现象,而仅仅是一种艺术现象。’”在希腊哲学家中,阿那克萨戈拉是第一个将宇宙演化与心灵联系起来的人。他把生成的推动力归结为“奴斯”(心灵或灵魂之意),长期以来,这个二元论的观点对后来的哲学家是奇怪的,不可理喻的,但到了人择原理引起讨论的今天,竟然也有其现代知音。马丁·里斯(Martin Rees)说:“宇宙之所以存在,是因为我们意识到这一点。”暴胀理论的另一位重要推手安德烈·林德(Andrei Linde)则认为,对宇宙的研究和对意识的研究可能存在不可分割的联系。

我打算把尼采的最后一句话改成:暴胀不是一种物理现象,而仅仅是一种艺术现象。但我所指的艺术不是古老的希腊艺术,而是繁复多变的当代艺术。20123月,我曾登上雅典卫城的山顶,近距离体会到巴台农神庙的伟大。我知道那是怎样的一种艺术。一个世纪前,就是那座残破的神庙,让一位年轻的瑞士钟表匠的儿子夏尔·让纳雷浑身颤抖,最终变成了柯布里耶。我想如果尼采从坟墓里偷偷爬出来(利用虫洞理论或时间机器?),来到我们这个时代,肯定会让阿那克萨戈拉这样改口的。我不知道暴胀的拥护者会不会同意我的说法。假如事情果真如斯坦哈特所言:“如果我们改变初始条件,改变暴胀能量密度曲线的形状,暴胀的结果就能轻易改变。这些特点使得暴胀理论极富弹性,以至于没有实验能对它提出反证”,那么他们岂不是也在从事有关宇宙生成的艺术?当代艺术注定是一个聚讼不休、争妍斗奇的领域,我们在早期宇宙学中也看到了相仿的情形。

雅典卫城

20173月一稿,201712月二稿

 

 


[1] Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt and Abraham Loeb Pop goes the Universe, Scientific American, February 2017, p32-39. 中文版见20173月《环球科学》第28-35页。



推荐 12