明星物理學(xué)家霍金的新書 The Grand Design (《大設(shè)計(jì)》) ，和當(dāng)年的《時(shí)間簡(jiǎn)史》一樣受到公眾和媒體的熱烈追捧，成為又一本能夠連續(xù)占據(jù)暢銷書排行榜的“物理書”。很多媒體關(guān)注的重點(diǎn)都是說霍金在這本書里排除了上帝存在的可能性，但其實(shí)這本書說的是比上帝存不存在更重要的事。它說的是為什么會(huì)有這么一個(gè)恰好適合人類生存的宇宙。
這大概是人類所能提出的最大問題了。宇宙為什么存在？宇宙是怎么起源的？我們這個(gè)宇宙的性質(zhì)非常精妙地符合人類需求，那么它是被“設(shè)計(jì)”出來的么？很多人認(rèn)為物理學(xué)家跟哲學(xué)家和宗教人士一樣，追問這些問題是為了獲得“內(nèi)心的平安”，但物理學(xué)家跟他們不一樣。物理學(xué)有一套非常不同的邏輯。
我曾經(jīng)在一次聚會(huì)上跟一個(gè)牧師聊天。這是一位非常虔誠(chéng)的牧師，走到哪都帶著一個(gè)破舊的隨身聽，里面放的是《圣經(jīng)》錄音帶。我以為我的知識(shí)足以挑戰(zhàn)他的信仰，我問他你怎么可能相信地球是在6000多年前被上帝創(chuàng)造的呢？我們有充分的證據(jù)表明地球上很多東西的年齡超過一百萬年。不料這位牧師說了一個(gè)幾乎讓我目瞪口呆的理論。他說上帝創(chuàng)造萬物的時(shí)候可以創(chuàng)造各種年齡的萬物。這就好比說假設(shè)我現(xiàn)在可以創(chuàng)造出來一個(gè)人來，這個(gè)人的年齡看上去是20歲，可是他是什么時(shí)候被創(chuàng)造的？現(xiàn)在被創(chuàng)造的。
這真是一個(gè)完美的理論，我無法從邏輯上質(zhì)疑它的正確性，這位牧師靠這個(gè)理論獲得了內(nèi)心的平安?？梢姭@得內(nèi)心的平安是容易的事情，如果你相信上帝無所不能，上帝安排了一切，你就可以解釋任何現(xiàn)象，你就獲得了內(nèi)心的平安?？墒俏锢韺W(xué)家對(duì)自己有比“內(nèi)心的平安”更高的要求。我對(duì)這個(gè)牧師說，我的理論不但能解釋各種化石的年齡，我還能對(duì)尚未發(fā)現(xiàn)的化石做出預(yù)言，你的理論也能解釋，可是你的理論能預(yù)言么？
判斷一個(gè)物理理論的好壞不在于這個(gè)理論是否符合人的直覺，或者是否夠漂亮，而在于它能不能做出預(yù)言。與哲學(xué)家們整天為了堅(jiān)持自己的學(xué)派和“信念”跟人吵架不同，物理學(xué)家從不執(zhí)著于任何一個(gè)物理理論，堪稱是最徹底的革命者。
但物理學(xué)家也有一個(gè)可以稱作“信念”的東西，這個(gè)信念就是世界應(yīng)該是合“理”的。也就是說，物理定律應(yīng)該適用于所有時(shí)間和所有地點(diǎn)，所有事件都必須精確地符合描寫物理定律的數(shù)學(xué)方程。
正是這個(gè)信念使得物理學(xué)家可以不斷地做出預(yù)言。如果有一個(gè)偵探發(fā)現(xiàn)一月一日有人被殺；二月一日又有人被同樣的方法殺死；三月一日還有人被同樣的方法殺死，他就會(huì)得出一個(gè)理論：罪犯在每月一日殺人。這個(gè)理論不但能解釋過去的三起殺人案，而且能做出四月一日會(huì)有人被殺的預(yù)言。物理學(xué)家的思路類似，只不過對(duì)他們來說，四月一日必須有人被殺 — 不允許物理定律像犯罪一樣有被停止的可能。過去，電磁相互作用和弱相互左右被認(rèn)為是兩種不同的力，而薩拉姆和溫伯格在1967年用一個(gè)統(tǒng)一的理論把這兩種力統(tǒng)一了起來。這個(gè)理論不但能解釋已知的現(xiàn)象，還預(yù)言了在這個(gè)框架內(nèi)必須存在的三個(gè)新粒子，后來果然被試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。反過來說，有人試圖把強(qiáng)相互作用也給統(tǒng)一進(jìn)去，結(jié)果得到了幾個(gè)所謂“大統(tǒng)一理論”，Grand United Theory （GUT）。這些 GUT 都預(yù)言質(zhì)子應(yīng)該會(huì)衰變，然而目前為止所有的實(shí)驗(yàn)都表明質(zhì)子就算真的會(huì)衰變，其半衰期也比 GUT 預(yù)言的要長(zhǎng)，所以 GUT 理論就算再精妙也不能被接受。
既然所有事件都符合物理定律，上帝還有什么用呢？如果上帝不能干預(yù)物理過程（比如說制造奇跡），他存不存在還有什么意義呢？牛頓就提出了一種意義。
牛頓在解出行星軌道方程之后發(fā)現(xiàn)引力會(huì)對(duì)這些軌道做出擾動(dòng)。而這種擾動(dòng)一旦累積起來就會(huì)導(dǎo)致軌道的不穩(wěn)定，使得行星或者墜入太陽，或者脫離太陽系。據(jù)此，牛頓認(rèn)為上帝必須存在，只有上帝才能時(shí)不時(shí)地對(duì)地球軌道進(jìn)行微調(diào)，確保穩(wěn)定。要不是拉普拉斯后來證明這種軌道擾動(dòng)是周期性的不可積累，物理學(xué)家大概也只好接受上帝存在。
牛頓認(rèn)為上帝必須存在的另一個(gè)理由則不需要他的直接干預(yù)，這就是地球在太陽系的位置實(shí)在是太幸運(yùn)了。方程表明一個(gè)行星的軌道在一般情況下應(yīng)該是橢圓形，圓形是非常特殊的情況。如果地球軌道是橢圓，哪怕“橢”的不是特別厲害，其近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)的溫度也將會(huì)非常不同，而不會(huì)有像現(xiàn)在這樣一年四季溫度相差不算太大的環(huán)境。而地球的軌道幾乎就是圓的！地球四季的溫差幾乎完全來自自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的傾角，而與距離太陽遠(yuǎn)近無關(guān)。地球的另一個(gè)幸運(yùn)之處在于這個(gè)距離與我們這個(gè)太陽的質(zhì)量正好搭配合適，哪怕太陽質(zhì)量有20%的不同，地球也將因?yàn)檫^冷或者過熱而不適合生存。牛頓考慮到這些巧合，認(rèn)為這一定是上帝安排的，就好像一個(gè)連續(xù)買彩票中大獎(jiǎng)的人認(rèn)為這是上天的眷顧一樣。要不是后來我們發(fā)現(xiàn)宇宙中有那么多的行星系統(tǒng)所以其中有一個(gè)適合生存的不算意外，物理學(xué)家大概也只好相信這個(gè)巧合是安排的。
相對(duì)于那些因?yàn)樽约?#8220;信仰”無神論而否定牛頓的人而言，像牛頓這樣的較真精神反而更了不起?，F(xiàn)在，類似于牛頓遇到的這些問題仍然困擾物理學(xué)家。這些問題的特征就是我們這個(gè)宇宙實(shí)在太幸運(yùn)了，差一點(diǎn)都不行！
第一個(gè)問題是宇宙起源的初始條件。天文觀測(cè)和經(jīng)典理論都表明宇宙起源于大爆炸，而量子引力的進(jìn)展則表明大爆炸比此前想象的要快得多。對(duì)宇宙微波背景輻射非均勻性的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了暴漲理論。然而要想實(shí)現(xiàn)足以形成我們這個(gè)宇宙的暴漲，宇宙起源的初始條件必須滿足無比嚴(yán)格的要求。這就好像你要做一個(gè)炸彈，這個(gè)炸彈的形狀必須是一個(gè)絕對(duì)精確的球形它才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的爆炸效果一樣。除了上帝誰還能準(zhǔn)備這樣精確的初始條件？
第二個(gè)問題是各種物理參數(shù)為什么如此地恰到好處。計(jì)算表明如果把強(qiáng)相互作用的強(qiáng)度改變0.5%，或者把電磁相互作用的強(qiáng)度改變4%，碳和氧這兩個(gè)對(duì)生命至關(guān)重要的元素就不會(huì)出現(xiàn)；哪怕把質(zhì)子的質(zhì)量增加0.2%，它就會(huì)迅速衰變從而根本不會(huì)有任何化學(xué)現(xiàn)象。另外，空間還必須是三維的，否則行星軌道就不會(huì)穩(wěn)定?，F(xiàn)代物理學(xué)無法從邏輯上解釋為什么這些物理參數(shù)是這樣的，就好像一個(gè)網(wǎng)絡(luò)游戲玩家不能用物理定律解釋某些超強(qiáng) boss 的武力值一樣，唯一的解釋似乎是它們是被“設(shè)計(jì)”成這樣的，否則這個(gè)宇宙或者游戲就不好玩。
霍金在書里給出了一個(gè)不需要設(shè)計(jì)者的解釋。霍金首先用所謂“無邊界條件”來取消了“宇宙創(chuàng)生之前發(fā)生了什么”這個(gè)問題，這個(gè)條件說在早期宇宙的極端條件下，時(shí)間維被扭曲得好像一個(gè)空間維，也就是說那時(shí)候有四維空間而沒有時(shí)間，也就不存在“之前”的問題了。進(jìn)一步，早期宇宙處于量子態(tài)，而它的歷史則是所有滿足“無邊界條件”的歷史疊加的結(jié)果。一個(gè)量子的宇宙可以自發(fā)地誕生。
正如量子力學(xué)中的一個(gè)粒子可以有多種不同的狀態(tài)，創(chuàng)世之后也可以產(chǎn)生多種不同類型的宇宙狀態(tài)。每一個(gè)可能的宇宙中都有自己的一套物理定律和物理常數(shù)，我們只不過恰好生活在其中一個(gè)允許星系和人類出現(xiàn)的宇宙中而已。這就好比說既然有非常多的行星系統(tǒng)存在，我們恰好得到一個(gè)適合人類生存的地球就并不奇怪。
霍金在書里使用物理學(xué)的一些最新進(jìn)展，比如M理論，和他本人在量子引力方面的研究成果作為論據(jù)，對(duì)這些大問題給了一個(gè)相當(dāng)說得過去的答案。然而在專業(yè)的物理學(xué)家看來，這個(gè)論證很不嚴(yán)謹(jǐn)。書中用到的很多物理理論，比如說超引力，在數(shù)學(xué)上并不嚴(yán)格，更不用說M理論還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)?；艚饚缀跏堑扔谛Q物理學(xué)家一直追求的“統(tǒng)一理論”已經(jīng)成型，大問題的答案已經(jīng)有了，可是很多物理學(xué)家不會(huì)同意他的看法，比如中科院理論物理研究所的李淼老師就不買賬。
不過霍金也解釋了為什么M理論是最佳選擇。首先，如果你的宇宙是一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)，它的物理定律不隨時(shí)間改變，那么其中必定能量守恒。其次，這個(gè)守恒的總能量必須等于0。這是因?yàn)槿绻芰看笥诹?，宇宙就無法被憑空創(chuàng)造出來；而如果能量小于零，它就可以在真空中的任何地方出現(xiàn)。更進(jìn)一步，既然宇宙的總能量為零，而在其中制造星球需要正的能量，那么它就必須包含引力，因?yàn)橐μ峁┴?fù)能量。最后，這個(gè)引力必須用超引力理論來描述才能消除無窮大項(xiàng)，而M理論正是超引力的最一般理論。
霍金甚至提出了這套理論的一個(gè)預(yù)言：如果宇宙真是這樣誕生的，那么在微波背景輻射中應(yīng)該能觀測(cè)到某種精微的特征，這種特征目前的觀測(cè)手段還看不到，但將來或許可以看到。
物理定律必須處處管用，以至于上帝就算存在也無事可做；而一個(gè)好的物理理論必須不但能解釋已知的現(xiàn)象，還能對(duì)未知的現(xiàn)象作出預(yù)言。這就是物理學(xué)的兩個(gè)邏輯?；艚鸬膶W(xué)說顯然符合第一個(gè)邏輯，只是不知道它能不能符合第二個(gè)。
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