伟大设计 (1)整个宇宙怎么能从无中创生呢

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　　在本书中，我们描述了诸如太阳、月亮和行星的天体运动中的规则如何暗示着它们是由固定的定律制约而非受神魔奇思怪想的驱动。起初这样定律只在天文学(或者占星学，那时这几乎被认为是一回事)中明显存在。地球上东西的行为是如此复杂并且受到这么多影响，使得早期文明不能够辨别出任何统治这些现象的清楚模式或者定律。然而，在天文学之外的其它领域中，新定律被逐渐发现，而这导致科学决定论的思想：必须存在定律的完备集合，只要给定宇宙在某一特殊的时刻的状态，它就指明宇宙从那个时刻往前宇宙如何发展。这些定律应在任何地方任何时刻都成立；否则的话它们就不是定律。不可能有例外或者奇迹。神祗或魔鬼都不能干涉宇宙的运行。
　　在科学决定论首次提出的年代，牛顿的运动定律和引力定律是仅知的定律。我们描述了爱因斯坦在其广义相对论中如何推广这些定律，以及人们如何发现制约宇宙中其它方面的其它定律。
　　自然的定律告诉我们宇宙如何行为，但它们并未回答我们在本书开头提出的为何的质问：
　　为何存在实在之物而非一无所有？
　　为何我们存在？
　　为何是这一族定律而非别的？
　　有人会宣称这些问题的答案是存在选取以那种方式创生宇宙的上帝之存在。询问何人或何物创造了宇宙是合理的，倘若答案是上帝，那么问题只不过是被转换成谁创造上帝的问题。按照这种观点，存在某种不需要造物主的实体，而那个实体被称作上帝，这就可被接受了。这是作为对上帝存在的第一原因论证而众所周知。然而我们宣布，纯粹在科学的王国中，而不必乞求任何神即能回答这些问题。
　　根据第三章引进的依赖模型的现实主义的思想，我们的头脑通过对外部世界作一个模型来解释来自我们感官的输入。我们形成了我们的房子、树、其他人、从墙上插头流出的电、原子、分子，以及其它宇宙的心理概念。这些心理概念是我们所能知道的仅有的实在性。不存在不依赖模型的实在性检验。由此得出结论，一个很好建立的模型创生于其自身的实在性。1970年剑桥的一位名叫约翰·康威的年轻数学家发明的生命游戏便是一个帮助我们思索实在性和创生问题的例子。
　　在生命游戏中的“游戏”这个词是误导的术语。不存在赢者和输者；事实上，不存在游戏者。生命游戏不是真正的游戏，只不过是制约一个两维宇宙的一族定律。它是一个决定性的宇宙：一旦你设立启始位形，或初始条件，定律确定在将来发生什么。
　　康威猜想的世界是一个方形排阵，象一个棋盘，但在所有方向上无限延伸。每个方块可处于二个态中的一个：活或死。每个方块有八个邻居：上、下、左、右以及四个对角邻居。在这个世界中时间不是连续的，而是向前以分立的步骤前进。在给定的任何死生方块的位形下，活邻居的数目根据下一面的法律确定下一步发生什么：
　　1、一个具有二或三个活邻居的活方块存活(存活)。
　　2、刚好具有三个活邻居的死方块成为活细胞(诞生)。
　　3、在所有其它情形下，一个细胞死去或保持死亡。在一个活的方块具有零或一个邻居的情形下，就说死于孤独；如果它有多于三个邻居，就说死于拥挤。
　　这就是全部：给定任何初始条件，这些定律就使之一代一代地延续下去。一个孤立的活方块或者两块毗连的活方块在下一代死亡，因为它们没有足够的邻居。三个沿着对角方向的活方块活得久一些。在第一步后端点的方块死了，只留下中间的方块，它在后面接着的那一代死去。任何方块的对角线就以这种方式“蒸发”了。倘若三个活方块放在水平的行上，中间的又因有两个邻居而存活，而两端的方块死亡，但在这个情形下，刚好位于中间上方和下方的细胞经历了诞生。因此行变成了列。类似地在下一代列又回到了行，等等。这种震荡的位形状称作眨眼。
　　如果三个活方块摆成l形状，会发生新的行为。在下一代被l抱着的方块会诞生，导致一个2×2的方砖。方砖属于称作静止生命的模式类，因为它会不变地一代代传下去。存在很多在早代变体而很快转成静止生活，或死，或回到原先的形式而后重复这过程。
　　还存在滑翔器的模式，它变体成其它形状几代之后，回到原先的形状，但在位置上沿着对角方面移到下一个方块。如果你看着这些随时间发展，它们显得沿着阵列爬行。当这些滑翔器碰撞，依在碰撞瞬间每个滑翔器的形状而定可能发生古怪的行为。
　　尽管这个宇宙的基本“物理”很简单，其“化学”能很复杂，使得这个宇宙很有趣。也就是说，存在不同尺度的复合物体。在最小的尺度上，基本物理告诉我们，只存在活的和死的方块。在较大尺度上，存在滑翔器，眨眼和静止生活的砖块。在更大的尺度上，甚至存在更复杂的物体，诸如滑翔枪：稳态的模式，它周期性地生养新的滑翔器，它离开巢沿对角线方向射去。
　　如果你在任何特别尺度上对生命游戏的宇宙观察一回，你就会推知制约那个尺度的物体的定律。例如：在断面只有几个方块的物体的尺度上，你也许拥有诸如“砖头永不运动，”“滑翔器在对角方面移动，”的定律，以及当物体碰撞时发生什么的各种定律。你可以在复合体的任何水平上创造整个物理学。这些定律需要用在原先定律中不存在的实体和概念来描述。例如在原先定律中没有诸如“碰撞”或“运动”的概念。那些只描述单独稳态方块的生与死。正如在我们的宇宙，在生命游戏中你的实在性依赖于你利用的模型。
　　康威和他的学生之所以要创造这个世界，是因为他们想知道，具有简单到他们定义的基本规则的一个宇宙能否包含复杂到足以复制自己的物体。在生命游戏世界中，是否存在这种复合体，它仅仅在遵循那个世界定律几代之后，将会产出它们的那种卵？康威和他的学生不仅能够展示这是可能的，他们甚至还证明这样的物体在一种意义上是智慧的。我们在这里讲的智慧是什么意思呢？准确地讲，他们证明了，能自复制的巨大的方块凝聚是“普适图灵机”。对于我们的目的而言，这意味着，对于在我们物理世界中的一台电脑，如果提供给它适当的输入，任何计算都能够在原则上被完成——也就是为生命游戏提供适当的世界环境——那么几代之后机器就会处于一个状态，从该状态可以读出输出，它对应于那个电脑计算的结果。
　　为了稍微了解一下那如何实现，我们考虑当滑翔器被射到活方块的简单2×2方砖上会发生什么，如果滑翔器直接靠近方砖，一直稳态的方砖就向前或从滑翔器的源往外运动。方砖以这种方式能模拟电脑记忆。事实上，一台现代电脑的所有基本功能，诸如和门和或门，也能从滑翔器创生。正如在物理电脑中利用电信号，滑翔器的序列可以这种方式被用来发送和处理信息。
　　在生命游戏中，正如在我们的世界，自产生模式是复杂的物体。基于数学家约翰·冯·诺依曼的早先的工作，人们估计在生命游戏中的自复制模式的最小尺度是十万亿方块——大约为一个单独人的细胞中的分子数目。
　　人们可以将生物定义为稳定并能复制自身的有限尺度的复杂系统。上述的对象满足复制的条件，但也许不稳定：从外界来的微小扰动也许会破毁其脆弱的机制。然而，很容易想象，稍微复杂的定律会允许具有生命所有品格的复杂系统。想象那种类型的一个实体，在康威类型世界中的一个对象。这样的对象会对外界的刺激反应，因此显得在做决定。这样的生命有自我意识吗？这是一个有关意见极端对立的问题。有些人宣布自我意识是人类独有的东西。它赋予他们以自由意志，在不同的行动过程中作选择的能力。
　　人们何以识别一个存在是否具有自由意志？如果人们邂逅一个外星人，何以辨识它只不过是一个机器人或拥有自己的精神？机器人的行为是完全被确定的，不象具有自由意志生物的行为。这样人们可在原则上检测出机器人是一个行为能被预言的存在。正如我们在第二章说过的，如果该存在很大很复杂，就或许困难的实现不了。我们甚至不可能精确地解三个或更多的相互作用的粒子的方程。由于具有人的尺度的外星人大约会包含一千亿亿亿个粒子，即便外星人是一个机器人，也不可能解这方程并预言其要做什么。因此，我们只好说，任何复杂存在具有自由意志——不做为一个基本的特性，却做为一个有效理论，承认我们没能力做出能使我们预言其行为的计算。
　　康威生命游戏的例子显示，甚至一族非常简单的定律能产生类似于智慧生命拥有的复杂特征。一定存在许多族具有这个性质的定律。是什么把制约我们宇宙的基本定律(和表观定律相对)挑出来？正如在康威宇宙中，给定在任何一个时刻的状态，我们宇宙的定律确定系统的演化。我们是康威宇宙的造物主——我们在游戏的起始指定对象及其位置，由此选择宇宙的初始状态。
　　在物理的宇宙中，诸如在生命游戏中的滑翔机的物体的对应物是孤立的物体。任何一组描述诸如我们自身连续世界的定律都必须拥有能量概念。这是一个守恒的量，表明它不随时间而变化。真空的能量必须是常数，既与时间无关，也与位置无关。人们测量空间中任何体积的相对于真空的同一体积能量，由此减除这个常真空能，这样我们也可以宣布这个常数为零。自然的任何定律必须满足的一个要求是，它要求一个由真空环绕的孤立体的能量是正的，这意味着人们凝聚该物体必须作功。那是因为，如果一个孤立体的能量是负的，那么它在一种运动的状态下能创生出来，这样它的负能量可被运动引起的正能量准确地平衡。如果这是真的，那就没有理由物体不能在任何地方和所有地方出现。因此真空就会不稳定。倘若创生一个孤立物体要花费能量，这种不稳定性就不会发生，因为正如我们说过的，宇宙的能量必须保持常数。那就是保证宇宙局部稳定——保证东西不可能处处从无出现的原因。
　　如果宇宙的总能量必须总保持为零，而创生一个物体要消耗能量，那么整个宇宙怎么能从无中创生呢？这就是必须存在象引力这样的定律的原因。因为引力是吸引的，引力能是负的：人们必须做功才能把引力束缚的系统诸如地球和月亮分离。这个负能量能平衡创生物体所需的正能量，但事情绝非如此简单。例如，地球的负的引力能比地球由之构成的物质粒子的正能量的十亿分之一还小。诸如一个恒星的物体会有更负的引力能，而它越小(它的不同部分相互靠得越近)，其负引力能就越大。然而，在它变成大于物体的正能量之前，该恒星一定塌缩成一个黑洞，而黑洞具有正能量。这就是为何真空是稳定的。诸如恒星和黑洞的物体不能就从无中出现。然而整个宇宙却能。
　　因为引力赋形于空间和时间，它允许时空局部稳定但全体不稳定。在整个宇宙的尺度下，物质的正能量可被引力能的负能量平衡，这样对于整个宇宙的创生并未添加任何限制。因为存在像引力那样的定律，宇宙能够并且将以在第六章中描述的方式从无之中把自己创生出来。自发创生是存在实在之物而非一无所有，为何宇宙存在，为何我们存在的原因。不必要祈求上帝点燃导火索使宇宙运行。
　　为何基本定律象我们描述的那样？终极理论必须和谐而且对我们能测量的量必须预言有限的结果。我们已经看到，必须存在象引力的定律，而且我们在第五章看到，为了引力论预言有限的量，该理论必须具有在自然力和力作用其上的物质之间的所谓的超对称。m理论是最一般的超对称的引力论。由于这些原因，m理论是宇宙完备理论的仅存的候选者。如果它是有限的——这还有待证明——它就是一个创生自己的宇宙的一个模型。我们必须是这个宇宙的部分，因为不存在其它协调的模型。
　　m理论是爱因斯坦所希望找到的统一理论。我们人类——我们自身只不过是自然的基本粒子的集聚——已经能够这么接近理解制约我们和我们宇宙的定律，这一事实就是一项伟大的胜利。但也许真正的奇迹在于，逻辑的抽象思考导致一个唯一的理论，它预言和描述了我们所看到的充满令人惊异的千姿百态的浩淼宇宙。如果该理论被观测所证实，它就将是长达三千年以上智力探索的成功终结。我们就将找到大设计。
　　小辞典----
　　另外历史：量子论的一种表述，其中任何观测的概率由所有能导致该观测的可能历史构成。
　　人存原理：我们基于我们存在的事实能得出有关物理表观定律的结论的思想。
　　反物质：每种物质粒子都有相应的反粒子。如果它们相遇，它们就相互湮灭，只余下纯粹能量。
　　表观定律：我们在我们宇宙中观察到的自然定律——四种力的定律以及诸如表征基本粒子的质量和荷的参数——与允许具有不同定律的不同宇宙的m理论的更基本定律相对照。
　　渐近自由：是强力的一个性质，使它在短距离下变弱。因此，虽然夸克在核子中被强力束缚，它们在核中可能运动，犹如它们根本没有感受到力一样。
　　原子：通常物质的基元，包含一个具有质子和中子的核，核被公转的电子包围。
　　重子：诸如质子和中子的一类基本粒子，由三个夸克构成。
　　大爆炸：宇宙的紧致、灼热的开端。大爆炸理论假定，在大约137亿年前，我们今天能看到的宇宙的部分只有几毫米那么宽。现在宇宙变得非常大非常凉，然而我们能在弥漫于整个空间的宇宙微波背景幅射中观察到那个早期的残余。
　　黑洞：时空的一个区域，由于它极大的引力而与宇宙的其余部分隔离。
　　玻色子：携带力的基本粒子。
　　从底到顶的方法：在宇宙学中，依赖以下假设的思想，即存在宇宙单独的历史，该历史具有明确定义的启始点，以及现在宇宙的状态是从那个启始演化而来。
　　经典物理：物理学的任何理论，在该理论中假设宇宙具有单独的明确定义的历史。
　　宇宙常数：爱因斯坦方程中予时空以固有膨胀倾向的一个参数。
　　电磁力：自然的四种力中的第二强的力。它在具有电荷的粒子之间作用。
　　电子：物质的一种基本粒子，它具有负电荷，而且负责元素的化学性质。
　　费米子：物质类型的基本粒子。
　　星系：由引力束缚在一起的恒星、星际物质和暗物质的大的系统。
　　引力：自然四种力中最弱的力。具有质量的物体正是用它来相互吸引。
　　海森伯不确定性原理：量子论的一个定律，它是讲物理性质的某些对不能同时在任意精度上知道。
　　介子：一类基本粒子，它是由夸克和反夸克构成。
　　m理论：物理学的基本理论，它是万物理论的一个候选者。
　　多宇宙：一族宇宙。
　　中微子：一种极轻的基本粒子，它只受弱核力和引力的作用。
　　中子：一类电中性的重子，它和质子形成原子核。
　　无边界条件：宇宙的历史是没有边界的闭合面的要求。
　　相位：在波的循环中的位置。
　　光子：携带电磁力的玻色子。光的量子粒子。
　　概率幅度：在量子论中，其绝对值平方给出概率的复数。
　　质子：一类带正电荷的重子，它与中子构成原子核。
　　量子论：一种在其中物体不具有单独明确历史的理论。
　　夸克：具有分数电荷的基本粒子，它感受强力。质子和中子各自由三个夸克组成。
　　重整化：设计来使在量子论中产生的无限具有意义的数学技艺。
　　奇点：时空中的点，在该处物理量变成无限大。
　　时空：一种数学空间，它的点必须既被指明空间坐标又被指明时间坐标。
　　弦论：物理学的理论，其中粒子被描述成振动的模式，振动具有长度却无高度或宽度——就象一段无限细的弦。
　　强核力：自然的四种力中最强的力。这种力在原子核中把质子和中子束缚在一起。它还把质子和中子自身束缚在一起，因为它们是由更微小的粒子夸克组成，所以这是必须的。
　　超引力：引力论的一种，它拥有一种称作超对称的对称。
　　超对称：一种微妙的对称，它不能和通常空间的变换相关。超对称的一个重要含义是力粒子和物质粒子，也因此力和物质实际上只是同一件东西的两个方面。
　　从顶到底方法：宇宙学的方法，在这方法中人们“从顶到底”，也就是从现在往过去追踪宇宙历史。
　　弱核力：自然的四种力的一种。弱力负责放射性并在恒星中以及早期宇宙中的元素形成中起极重要的作用。
　　感谢
　　宇宙有一个设计，而书也有一个。然而和宇宙不同，书不会从无中自发出现。一部书需要一个创造者，其角色并非全部落到作者的肩膀上。这样，首先也是首要，我们愿意感谢我们的编辑bethrashtaum和annharris的近乎无限的耐心。我们需要学生时，她们是学生，我们需要老师时，她们是老师，而我们需要激励时，她们是激励者。她们专心致心兴高采烈地处理手稿，无论是关于把逗号放在何处，还是不可能把负曲率的面轴对称地嵌入平坦空间中。
　　我们还想感谢：markhillery，他好心地阅读了手稿的大部分并提供了有价值的意见；carolelowenstein，她对内部设计帮助良多；davidstevenson，他指导完成封面设计；和lorennoveck，她的细致免除了许多在付印之前的我们不愿见到的打印错误。非常感谢peterbollinger：你将插图将艺术带给科学，你勤勉地保证每细节之准确。还要感谢sidneyharris：感谢你的美妙卡通以及你对科学家面临问题的极度敏感。我们还因为得到的支持和鼓励感激我们的代理人alzackerman和susanginsburg。如果有两个信息是他们一直提供的，那便是“是已经完成此书的时候了”，和“不要介意你们何时完成，你们最后总能完成。”他们足够明智，知道什么时候该说哪个。而最后，我们感谢史蒂芬的个人助理judithcroasdell；他的电脑助手samblackburn以及joangodwin。他们不仅提供了精神支持，还提供了实际和技术支持，若无这些支持，我们就完成不了本书。此外，他们总知道去何处找到最好的酒吧。