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彦清:点评《读霍金新书<大设计>有感》 [复制链接]

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离线松下童子
 
只看楼主 倒序阅读 使用道具 楼主  发表于: 2015-04-27
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宇宙终极答案《大设计》-----从哲学到m理论
             ———— 读霍金新书《大设计》有感
   曰:遂古之初,谁传道之?
    上下未形,何由考之?
  冥昭瞢暗,谁能极之?
  冯翼惟像,何以识之?
  明明暗暗,惟时何为?
  阴阳三合,何本何化?
  圜则九重,孰营度之?
  惟兹何功,孰初作之?
  斡维焉系,天极焉加?
  八柱何当,东南何亏?
  九天之际,安放安属?
  隅隈多有,谁知其数?
  天何所沓?十二焉分?
  日月安属?列星安陈?
  《天问》屈原
  我们都是充满好奇心的人,对外界各种新鲜的,甚至是稀奇古怪的事物,通常有一种想探究的冲动。就算是没有好奇心,也有恐惧心,对于未知的事情,保持着一种敬畏。(有时候,敬畏需要打破,恐惧需要去战胜,否则,终无所成,成为命运的奴隶。对于这些未知的东西,面对有时反而更好些,故而自然科学(一门可以真正达到预言效果的学问)是在西方产生的,而不是天朝,因为天朝人的思想意识里,天神是不可战胜和揣度的。)想“不语怪力乱神”关起门来,把恐惧挡在外面,似乎效果并不好,反而容易把神奇的自然界挡住,把自己囚禁在人伦的笼子里。于是,我们能怎样理解世界,宇宙是怎么样运行的,现实实在是什么,实在从哪来,宇宙需要创造者吗等问题有时会在我们心里画下问号。本来这些问题以前是由哲学家来回答的,但哲学没有跟上科学,尤其是物理学的发展。现在由科学擎起了
  知识发现的火炬,带领人类探索更多未知的领域。

  一、哲学死了。
   哲学死了,因为哲学没有跟上科学发展的步伐,霍金在《大设计》中非常肯定的说出了这句话。是啊,从伽利略在比萨斜塔扔下一轻一重两个铁球来验证亚里士多德的物体下落理论的那一刻起,哲学对于自然的探索就像是芝诺悖论里的阿基里斯一样,永远追不上科学这只乌龟了。(也不能完全这么说,哲学和科学的起源是相同的,也就是说,它们的本源都是相同的,即:人们对未知的探索行为。它们发展出了各自的枝杈,成了人们几乎辨别不出的独立了的个体,在实际对人类的进步作用上看,它们分别发展,各创出一片天地,哲学起到了对人类思想启蒙的作用,而科学则将思想启蒙后的人们武装成为可以大致预言并根据预言结果掌控现实世界的作用。没有哲学就没有爱因斯坦;没有神学就没有牛顿,霍金;没有哲学,同样也不会有现在的霍金。当然,神学也是与它们同源的。)
   当古希腊人吸收公元1600年前的古巴比伦人创造的包括二次方程式等数学问题的解法的时候,古希腊的哲学家泰勒斯还只能通过观察,归纳来猜测万物的构成。可以说数学(数学思想是人类逻辑的胜利,通过精密的逻辑推演,以及细致的测量,观察,推出的一系列理论,能够用来预言,这意味这什么?:逻辑使得人类能够了解到的事物超出了自身的感知范围,就好比是具备了佛教的佛陀所说的慧眼那般只有在神话中存在的能力,使得人类与地球上的其他动物都完全不同了。)自身的发展程度在当时就比古希腊哲学更深邃。
   希腊哲学是从自然哲学开始的,哲学家们有着一颗比常人多得多的好奇心,通过对自然现象的观察,哲学家们否定前人的结论,推出自己的结论。最终在亚里士多德手里汇集升华。亚里士多德有一句名言:“吾爱吾师,吾尤爱真理。”这句名言显著的体现了他对学术的批判和求真的精神,并且贯穿于他那百科全书式的著作中。(单纯的批判和怀疑精神会走进死胡同,只有加入了对现实事物的细致的观测和严密的推演,才不至于使得学不成学,而在有效的批判和怀疑中有所增长,渐渐产生出属于自己的可靠的理论或思想,从而立足于残酷的人类世界。)亚里士多德是那个时代的佼佼者。他研究形而上学,他研究逻辑学,他研究文艺学,他研究伦理学,他研究精神哲学,他研究教育学,他研究自然科学(包括物理)。研究的范围相当广泛,研究的深度也相当深(当然错误也不少)。我想用爱因斯坦下面的话来评价亚里士多德,我觉得对他而言是无上的光荣。不是因为这句话是爱因斯坦说的,而是因为整个科学确实就是架构在其研究结果-形式逻辑上的。
   "西方科学的发展是以两个伟大的成就为基础,那就是:希腊哲学家发明的形式逻辑体系(在欧几里德几何学中),以及通过系统的实验发现有可能找出因果关系(在文艺复兴时期)。"
   不知道在这两三千年的历史里,中国有哪个思想家,哲学家能够在知识的广度和深度上接近或者达到同时代世界的佼佼者的水平。可能墨子算一个,可能仅此一个而已。说到墨子,不得不提提这位先秦诸子中最特别的一位,他思考的范围,他所从事的事业是诸子所无法比拟的。可以毫不夸张的说,正是有了他,才使得先秦的科学史不至于暗淡无光。墨子出身“贱民”,他会做木工,曾花三年时间做了一只木鸟在天上飞了三天。他研究政治伦理学,他研究几何,他研究物理学,他研究逻辑学,他研究修辞学,他研究军事学,甚至亲身领导战争。(传说之事,尽可作为榜样即可。)可惜在《史记.孟子荀卿列传》中,关于墨子只有简单的一句话“盖墨翟,宋之大夫,善守御,为节用。或曰并孔子时,或曰在其后。”
   古希腊哲学家群中还有一位影响力非常大,和科学有关值得一提的人物,他就是毕达哥拉斯(大概生活在公元前500年左右,也就是和孔子同年代)。我们所说的勾股定理在西方就叫毕达哥拉斯定理,因为他发现了勾股定律。毕达哥拉斯有个非常著名的思想:“万物皆数。(可见他对数学,即:通过观测和逻辑推演的方式。的推崇以及信仰的深刻,已经达到了不辨虚实的程度,他的世界就是数学构成的。)”他的教派非常神秘,把数学,几何,天文,自然科学,巫术宗教融合在了一起。在他看来,自然界的所有事物的背后都是数和几何。看看现在的物理理论,和他的思想是不是非常相似?他对数,几何,天文的思想深深的影响了柏拉图,所以柏拉图非常重视数学。据说在柏拉图的学园门口立着一块牌子,上面写着:不懂几何者免入。柏拉图为教育定下的四艺中就有算术,几何(平面,立体),天文学,音乐,并成为西方教育的源头,深远的影响后世,后世西方很多著名的哲学家中就有既是数学家,又在哲学上也有独特创见的人:笛卡尔,莱布尼兹,罗素等等。我们的圣人孔子也在其六艺中定有数学教育,不过此数学教育似乎只是九九乘法表?
   大名鼎鼎的柏拉图有种追求理性的精神,经典的洞穴寓言就是关于这个理性精神的寓言。他认为感官是不可靠的,人被感官所囚禁就如人被囚禁在洞穴里面一样,感官经验就如同在洞穴里看到的外部世界的影子一样是虚幻的东西。只有脱离感官经验,进行理性的思辨才能够从洞穴中逃出来,获得真理。老子对于感官感觉也有一说:“五色令人目盲,五音令人耳聋,五味令人口爽。”两者对于感官感觉的作此评价到底目的是为了什么,这和科学的发展有什么关系,只有我们后人仔细思考了。(当时之境,或许是没有这些意思的,但正如苹果落到牛顿的头上出现引力定律一样,是偶然与必然的结合,这就是奇迹出现的奥妙。当然,也说明了逻辑的危险性,它的优点极大,让人甚至都具备了神的本事,但相反的方面也很明显,当人深深的沉入其中时,就极容易将偶然的事件或现象列入其他的必然的事件中去,起到了相反的作用,在用于预言是反而像是被遮上了眼睛,看不真切,成不了事。中国最负盛名的阴谋论,便是这样的一个例子,似乎人人谈论政治军事都可以得心应手,信手捏来,但对于现实中的政治变化,国家策略,军事方针却仿佛变成了瞎子,这种情况即便是是所谓的专家也同样如此,钓鱼岛就是个例子,专家鼓吹日本不敢占,人家却驻军了。为什么会这样?因为惯性的所谓因利制导,而忽略了政治上的风云变幻,因利制导则可用常规逻辑推演,而风云变幻的政治场,连爱因斯坦那样绝顶聪明的人物都认为是相对的,变化很多,不是永恒的,又如何能够不根据及时而数量较多、较真实的现实资料就能做出预言呢?这样的行为就可用自欺欺人来说了。所以,我们同样可以这样总结出一个教训:越有用,越好的东西,也越危险。)
   古希腊哲学群中还有一位虽然对科学没有直接贡献,但是也同样影响深远的人-芝诺。虽然芝诺不是第一个提出悖论的人,但是芝诺提出的一系列悖论,却是影响最大的,其中最著名的就是阿基里斯悖论和飞矢不动论。在他之后,最出名的悖论就是关于集合的罗素悖论。中国古代名家的惠施虽然也说过一些如“卵有毛”,“鸡三足”等悖论,但可惜的是这些似乎多是文字上诡辩而已,更可惜的是不多的悖论后来也几乎无人关注了。
   正如大家所知道的,虽然哲学家们的思想结晶也许被科学的大幕所遮掩,但他们的精神和方法将会永远星光熠熠的闪烁在我们心灵的夜空,为我们指明方向。(这句话说得好极!没有哲学,人类是难以完成思想启蒙的,那样又如何去更进一步,而进入科学殿堂,以科学的方法来探究事物,探究人世间呢?不这样,又怎么能够得出可以大致用于预言的理论,得到预言的结果,去做成一系列的事,成就一系列的奇迹呢?)

 二、宇宙的终极理论候选者-M理论。
   我们已经习惯了物理学家给出的通常由主要几组非常简洁的方程式组成的物理理论,如牛顿经典理论,麦克斯韦尔的电磁定律,爱因斯坦的质能方程式。虽然这些方程式非常简洁,但是令人惊奇的是,这些方程式却在很高精度上符合我们对宇宙的观察。我不禁在想,如果真是有造物主的话,那这个造物主一定是个数学家。
   一代又一代的物理学家为我们展示了造物主的神奇,他们的理论如同生物一样进化,日臻完美。我们不知道是否有一个单一的理论能够涵盖宇宙的所有规律,也不知道物理理论是否有最终的尽头。但是现在,霍金提名了一个终极理论的候选者-M理论。
   霍金说,和以往的物理理论不同的是,以往的物理理论通常是单个的,但是M-理论不是单个理论,而是由不同的一些理论组合在一起,各自能很好的解释各自所考察的物理现实。M理论就像一张地图,其各个分支就像地图中的某一块,有重叠的区域,同时又有互不相关的区域,共同构成了M理论。
   霍金继续提到,我们不仅要了解宇宙怎样运行,同时我们必须问为什么:
  1. 为什么宇宙有东西而不是没东西?
  2. 我们为什么存在?
  3. 为什么是这套理论而不是其它理论?(这三个问题也是极好,这其实是几乎没人去注意的问题,因为司空见惯,但很多更为精确的理论不正是从人们经常忽视的看似很小的问题中提炼出来,经过预言和观测的可用理论中出来的吗?无论什么时候,具有问题都是最好的,即使在很多人看来极为可笑,但它们的深处或许就隐藏着可以用来预言的宝藏,有问题,勤动手,勤动脑,勤动脚,是最好的。)

  三、定律的规则。
   日晷之离,不鼓缶而歌,则大耄之嗟,凶。《易经》
   古代人对因果关系有独特的理解。由于古代人对于自然界各种奇异的现象了解不够,所以会形成以我们现在的眼光看来荒诞的因果观。如月蚀产生的原因,中国人有天狗吃月亮一说,西方人则有狼抓了月亮之说。显然中西方的古人都把月蚀产生的原因,归结成是某种超自然生物的行为结果。所以月蚀的时候,中西方古人都要弄出很大声音,想把这个超自然生物吓走。但是随着他们经常的观察,他们发现不管他们是否弄出响声,月蚀照样会消失。而且他们发现月蚀的出现总是相当有规律。古巴比伦人就发现了这个规律,而且很好的预测了月蚀出现的时间。(古巴比伦人出现了时代的叛逆者,其实,人们探索的必然的,神异的解释,信的人并非很多,只是随着时间的流逝,这些东西成为了生活的一部分罢了。就如同清明节,人们现在不信鬼了,但是仍然很隆重的过着清明节。古人也是。)
   由于古代人对宇宙的认识不够,所以就采用巫术和神话来试图解释自然规律。他们想象万物有灵甚至宇宙本身就是个生命体,想象神能够控制宇宙和人。随着人类对宇宙的长期观察,慢慢形成了巫术和神话之外的一些宇宙观,因果规律观。在西方,古希腊人泰勒斯是目前保留下来的文字记录中最先具备这种观点的人。他把万物视作一种单一的物质,这体现了一种还原观,即把不同事物的特性排除掉,而只抽取其本质。从他开始,一代又一代的人接着观察自然,同时提出自然现象的规律。与现代大多数中国人把宗教和科学完全对立不同,在科学发展的这段期间,宗教、神一直都是伴随着哲学家,科学家们的。即使是牛顿本人,对上帝也是笃信不疑的。对他来说,发现宇宙运行的规律,就离上帝更近一步。中国道教对于道,对长生也有追求,在技术上也有一些成就,如火药的发明,但为什么没有在科学理论上有所贡献,这个值得我们思考。(这是对奇迹的一个最好的阐释。每一项看似几乎是传奇而人们又会有相信的人时,因其路途的遥远,有时没有尽头,故而孜孜不倦,唯独一心求道,进行各种各样的尝试,当尝试的次数达到了一定的数量后,产生一些意想不到的好东西是必然的,这就如同:宇宙中的无机分子形成有机分子,在形成细胞,进而形成生命体。我们能说:自然具有超乎人类的创造力,和先进的科学,发明了这些吗?显然是不能够的。其实若是顺着人类的这个惯性思维来揣度,那么我们将这种超乎人类的能力的存在称之为神,过分么?其实,只是合情合理罢了。每当产生一个奇迹,必然得有专门研究这一奇迹的门类分裂出来,或许为了与起初完全不同的目的,控制着这一奇迹向着别的方向前进,不断的产生与它相关的奇迹,最终绚丽的让人不能忽视。中国的国内环境,显然不能完成奇迹演化这一人类光荣的过程,在单一的以仕途为目的的研究不可能去顾及这些奇迹,并使其演化,并且,除过统治阶级和富商们,其余的“贱民”每天只能够浑浑噩噩,连肚皮的需求都许耗费极大的力才能勉强满足,哪里来的时间去做那种“歪门邪道”?况且,中国的四大发明除了造纸术都运用不广泛,其他三者在军队运用中能够极快的发展,可惜,没有科学体系的统治者不懂,他不可能预知科技发明的前景,以及对于他维持长久统治的积极意义,怎么可能去提倡?这些因素共同作用下,中国又如何能够有真正的科学呢?科学是可以正确预言的,中国的所谓高深发明能够预言吗?显然不行。当然,一些学问极深的先生对于朝廷更替的变换能够准确的预言,这是由于它的盛行和实用,也许能够算得上中国的社会科学理论的突出成就吧?但却仍然不成体系,难以学习,全靠“天才们”把持着它们。中国有一个词说得好:经世致用。什么意思?老师们都解释为学用结合,理论与实践结合,古人真的是这个意思吗?恐怕没有这么高尚和理智。经历和经营世间的一切事情,以达到可以运用和利用世间之事的能力,恐怕这样去解释才入情入理吧?中国古人从来不用去解释自然为何如此。中国的神学,其实都是代指皇权,或为这皇权的合法性,高尚性,权威性而服务的罢了。并非是信仰的范畴,唯独和信仰有些关系的佛教,还是引进才有的。中国人最会引进和吹牛吗!)
   艾萨克•牛顿(Isaac Newton)绝对是一个值得大书特书的人,他在科学史上带来的影响几乎无人能及,死后被当做国王一样安葬。英国诗人亚历山大•蒲柏在他的墓志铭上写着:自然与自然的法则在黑夜隐藏,上帝说,让牛顿出世!世界一片光。我们中国也有类似的一首据说是处在资本主义萌芽期的宋代的儒家写的诗:天不生仲尼,万古如长夜。真是两首意义非常深远的诗!按照孔子做人的标准:温良恭俭让,估计牛顿是一个都挨不着边的。他嘲笑同期的科学家胡克,他和莱布尼茨争微积分发明权,他好财,花在炼金术上的时间可能比物理上都多。偏偏这么一个人,被英国人视作英国历史上最不能缺的两个人,另外一个人是莎士比亚。不知道对于中国人来说,哪两位是中国历史上最不可缺的人呢?推而广之,如果要选两个对世界历史最不可缺的人,大家会选谁呢?
   如前所述,对于定律的起源,是不是有不按定律的奇迹,是不是只有一套定律等问题,由于宗教的影响,即使是开普勒,伽利略,笛卡尔,牛顿这些伟大的科学家,全部都认为,定律是上帝的杰作,他们都认为有一个超然于科学之外的神存在,这个神可以创造奇迹。对于有没有上帝这个问题,拉普拉斯是第一个清晰表达科学决定论的:给定某个时间宇宙的状态和一套完整的科学理论,按这个理论可以推出宇宙的过去和未来。据说拿破仑曾经问这位著名的数学家,上帝是怎么让宇宙符合科学定律的,拉普拉斯很自豪的告诉他:“陛下,我不需要上帝这个假设。”也就是说宇宙万物均符合科学定律,包括人及其精神!(上帝的出现,是人类认知的一个瑕疵,人类认为很多已存在的好东西都是造出来的,怀着这样一种情结,人类信心满满,不断的发掘,才出现了一大堆的优秀理论。同样的死结出现了,人类解释不了为什么会出现人类等这样有规律的有生命的多种多样的生物等等的问题,如果坚持本就存在的信念,那么只能拿出一个超乎人类的存在,神。否则,就试着去放弃旧有的信念,即:自然界是又规律的,并且可以被人类发现、利用。故而,上帝的出现是人类的宿命,不可改变,是人类发展中的一个瓶颈,和极难跨越的坎,就像修士的证道,若放弃,那么得出的理论合适吗?弄不好人类又将陷入迷茫。所以,强行驱神是不合适的,只要有人致力于科学的进一步发展,一切的解决都将顺理成章。)

  四、什么是实在。
   霍金在书中以圆形鱼缸里的金鱼作为例子,解释了什么叫模型。对于圆形鱼缸里的金鱼来说,鱼缸外直的东西也会被金鱼当成是弯曲的。我们对于外部实在的认识是不是也像鱼缸里的金鱼,是扭曲的?或者像黑客帝国的电影中所拍摄的一样,人不过是生活在超级智能计算机虚拟的现实里?我们接触的实在到底是不是就是确切的“实在”呢。物理定律描述给我们的实在又是什么呢?
   在谈到实在的问题前,霍金先回顾了天文学的模型。最先提到的是托勒密的地心说,为了满足地球处于天体中心,解释各天体运动的轨迹,托勒密的地心说模型比较复杂。由于托勒密的地心学说很好的迎合了当时基督教,所以一直被视作完全正确的模型(这里用正确一词不太恰当,因为日心说也这是因为这个模型下,得出的物理定律及方程式比较简单而已,选取了不同的参照物罢了,日心说太阳不动,地心说地球不动,显然这两者在现实中并不是真实的,故在霍金的世界里可以将两种模型拿出来进行对照说理。),直到哥白尼提出日心说。哥白尼的日心说重重的震撼了罗马教廷,被视作西方近代科学的开端。因为日心说对当时基督教的宗教学说冲击很大,所以经过伽利略,布鲁诺,开普勒等人付出的心血甚至生命才赢得赞同的。
   下面这一段是描述布鲁诺坚持日心说,反对罗马教廷,被罗马教廷关押折磨七年,最后被火烧死的场景:
   1600年2月17日凌晨,罗马塔楼上的悲壮钟声划破夜空,传进千家万户。这是施行火刑的信号。通往鲜花广场的街道上站满了群众。布鲁诺被绑在广场中央的火刑柱上,他向围观的人们庄严的宣布:"黑暗即将过去,黎明即将来临,真理终将战胜邪恶!"最后,他高呼"火,不能征服我,未来的世界会了解我,会知道我的价值。"刽子手用木塞堵上了他的嘴,然后点燃了烈火。布鲁诺在熊熊烈火中英勇就义。(可歌可泣!)
   几乎就在同一时期,在中国也有一位类似的人物:
   1602年,李贽因为不满封建传统教条,和假道学,他批判了孔子,并贬斥《孟子》《论语》,最后以“敢倡乱道,惑世诬民”的罪名被关入监牢。在监牢里,他借着剃头的时机,抢过剃刀,割喉自杀,两日后才气绝而亡。(是书本难见本真,他们就是按照书本里的做的,李贽愤青的过头了,其实,没有人会在意和理会他,现今当世儒学盛行,而民间的穷苦人民何止千万,全家打工也紧紧是勉强维持家用,有时还得借钱,可与儒学中所说的安居乐业有半分关系吗?难道我们仍然还要有人去提出什么封建传统教条和假道学吗?不是的,因为儒学本就是叫下层人更能忍,上层人更能装,告诉人们社会上的阶级,三六九等是正常的,应该安于本位。儒学不是没用,要见其本真,看到本源,明白儒学的本意和起源,才能去起到积极的作用,否则只能是半吊子,做愤青也得认出社会本源,才能在实践中,在自己的周围,自己力可及的范围内改变一些“假儒学、假道学”带来的副作用,可比上层中搞笔墨官司,让上层担惊受怕好百倍。)
   现在我们知道日心说对天体实在的解释也不是完全正确的,它只是比地心说的模型更加正确。到底实在是什么?经典物理学认为存在真实的独立于观测者的外部世界。一个物体放在那,不管什么人去测量物体的各种属性,测量得到的结果都是一样的。针对这种实在观,传统上还有一种反实在的观点。反实在观的人认为经验知识和理论知识有区别,他们认为观察和试验是有意义的,而理论知识只是有用的认识手段并没有具体表达对观察到的外部现象任何更深入的真理。有些反实在主义者想把科学严格限定在可观测的事物中。所以19世纪很多人拒绝接受对于没有见到过的原子的理论。其中最极端的就是乔治.巴克莱,他认为除了头脑和头脑产生的观念外,没有任何东西存在。(这段描述写的极好,这种主观截断是符合人的特点的,人靠的是脑,而脑力又具有局限性和执着性的特点,故而主观截断可以利用人脑的特点,构造出的是一个只属于自己的虚拟的世界,在这个世界中,一切场景与现实物是有联系的,通过这个联系,我们能够建立一系列的规律,同样可以用于现实世界,并且使用效果基本相同。渐渐地,随着实践和研究的深入,这个单纯的虚拟世界不能够满足一些现实物的运行了,于是,开始反思(在自己的世界中悟道),这个虚拟的世界便开始发生变化,局限性的范围开始不断放大,这就是一个人认知和理解世界、社会中的一般和常有的过程。当然,科学的研究也是正好符合了这一规律,每一个时期都相当于是一个主观截断的片段,在那个主观截断的片段中,通过一些联系,建立起了一系列的规律和表达方程,并很好地运用于现实物,产生了一系列人类的奇迹,而这正是人类认知世界的必经途径。玄幻小说中,总是用对道的执着来阐释这样的道路,其实是不合适的,或许作者还并没有理解到这一层的意思,但只有主观截断出一个片段,才能有足够的精力去探查清楚,从而解脱迷茫,否则看似明悟世间的道理,实际上,却连一个可以用来预测的理论规律都没有,所有认为的真理只是幻觉罢了。)这位巴克莱先生对于中国的学生是相当熟悉的,因为在政治课本中被当做唯心主义的反面榜样,一代又一代的教给学生(不知道现在的政治课本还有没有提到他)。而霍金在书中提出了一个观点:不存在独立于图像或者理论之外的实在。实在就是基于模型的,物理理论或者世界的图像是一个基于数学的模型,一系列的定律把模型中可观察的元素联系在一起。人类是自然界的一份子,我们无法使我们在对自然进行观察的同时不对自然进行任何影响,实在就是我们对自然观察并且产生影响后的一个基于模型的外在。对于人类或者圆形金鱼缸中的金鱼来说,两者看到并形成的模型都是实在,因为人类无法脱离他所能观察到的外在。就像当初电子被观察到以前,我们的科学模型已经预测出了电子存在,并很精确的预测了电子的行为。即使我们的肉眼没有看到电子,但我们知道电子确实存在。同样的道理,现在质子和中子中的夸克依然没有被观察到过,自由的夸克从来不存在自然中。模型中的夸克符合我们对亚核粒子行为的观测。
  基于模型的实在能够提供一个框架来论述这样的问题:如果世界是在有限时间以前创造的,那在创造之前发生了什么?早期基督教的圣.奥古斯丁的回答是时间是上帝创造的,在上帝创造时间之前,没有时间。这个回答是一个可能的模型,即使从现在得到的各种证据看来,这个模型有些陈旧。另外一个模型是宇宙大爆炸理论。这个理论能够解释我们目前关于宇宙的大部分观察,所以这个模型更加有用。但是,没有模型能够说比其它模型更真实!

看完上面得到的结论,可以想见各路江湖人士会跳起来问:“既然没有模型比其它模型更真实,那我们的模型对宇宙的解释为什么就不科学,不正确或者不好而科学的解释就更正确更好呢?”所以霍金提供了几条对好模型的判断依据:
  1. 模型应该简洁的。
  2. 包含少量任意的或可调整的元素。
  3. 能解释所有对目前现象的观察结果并与观察结果保持一致。
  4. 能够对未来观测提供可证伪的明细信息做出明细的预测。(预测一项最为重要,否则,能否选它为可用模型都难说。
  霍金接下来举了亚里士多德的模型作为例子,讲了下按依据判断。亚里士多德认为世界是由土,气,火和水组成。这个模型比较简洁优雅,但是不具备可调整的元素。并且在很多情况下,不能够做出确定的预测,如果做出了预测,也与实际观测不符。最著名的就是亚里士多德认为重的东西比轻的东西下落快。这个预测被伽利略证实是错误的。说到这里,大家可以根据这个依据比较下阴阳五行理论。
  讲完上面的判断条件,霍金承认这些判断都是很主观的。比如对简洁的判断,就不是那么容易客观度量的,但是对于科学家来说又是非常重要的,让科学家引以为豪的:纷繁复杂的现象被压缩到一条定律里面。众所周知,一项科学理论一旦提出来,通常会对某些未知的事物进行预测,这就构成了第四条可证伪性判断。这些预测最终得到检测时有些会是正确的,有时候则不会。如果预测不正确,科学家通常不会完全抛弃这项理论,而是不断对理论进行某些修正,直到对这个理论的修正到显得非常笨重,不简洁和人为化程度很高,才会被放弃。在哈勃总结星系谱线红移得出宇宙膨胀学说的时候,同时期不断有科学家试图修正静态宇宙模型的理论来迎合观测。不管他们如何修正模型,哈勃的宇宙膨胀模型仍是符合观测的模型中最自然的,最后被大多数科学家所接受。(一个模型从出现到被接受须要极长的时间,因为这里有预测的观察时间,观测修正,到极点后,若不可用才可抛弃,可用则被普遍接受。毕竟,一个模型的出现本来就不是易事,每次出现都是人类极大的财富。
  霍金在这一章的最后用光的波粒二像性做了对什么是基于模型的实在的总结。对光的研究中国可以追溯到墨子而西方则可以追溯到古希腊,其中最著名的是欧几里德,又是他!光到底是波还是粒子?这个问题曾经在近代科学家中间争论过很久,其中两个物理学的巨人牛顿和爱因斯坦还参与进来。牛顿认为光是粒子,并用它很好的解释了光的折射和反射现象。但是光是粒子的理论解释不了牛顿自己发现的被称为牛顿环的光干涉现象(即光干涉后形成明亮相间的圆圈)。通过不断的修正模型和理论,到了十九世纪,光是波几乎已经成为共识,光表现的粒子现象也被光的波动理论很好的解释,除了最基础的一个困难,光作为波运动时的载体是什么。就在光是波的被认为是正确的,而光是粒子的被认为是错误的时期,赫兹发现了光电现象,显著的表明光是粒子。到了20世纪,爱因斯坦发表了一篇题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文,这篇论文就是阐述光的波和粒子的二象性问题,即光在平均时间上是表现为波,而在某个时间点上表现为粒子。正是这篇文章而不是相对论让爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理学奖。波粒二象性对当时的人们的观念是个相当大的冲击,因为就人的日常经验来说,水波是波,其运动就完全不像粒子,而小石头、沙子等粒子的运动表现就完全不像波,没有东西既像波又像粒子。正是摆脱了日常经验的桎梏,波粒二象性得到承认。不管是光的波动说还是粒子说,都解释了光的这些现象的某一部分,但不能说哪个模型更好更体现实在,他们是模型上的实在。所以霍金认为M理论也如光的波粒二象性理论一样,不是单个理论,但是M理论中的每个理论解释了现象的一部分,这些理论又在某些现象的解释上是重叠的,所以可以认为是在一个理论框架中。终极统一理论不像传统上科学家所期盼的那样,是单个理论,而是由一组理论来解释宇宙,正如光的波粒二象性理论。(或许也不是呢?人类能够准确的观测的范围太有限,或许现今M理论的模型中的理论用来预测银河系外的星系现象还不行呢?或许,因为观测的不大清楚,M理论得到的宇宙模型也与实际不大相符呢?这一切都不好说罢!只是,人类确实主观截断片段扩大了不少,至少可观测的信息内得到的理论可以预测很多的宇宙中的现象了。

牛顿环,光的一种干涉图样,是一些明暗相间的同心圆环



波峰和波谷重叠



波峰和波峰重叠,波谷和波谷重叠


 五、不确定性原理
  我皇上如天之度,概与立约通商,以牢笼之,合地球东西南朔九万里之遥,胥聚于中国,此三千余年一大变局也。
   《李鸿章传》
   徐光启,明末数学和科学家、农学家、政治家、军事家,官至礼部尚书、文渊阁大学士。他同时还是一位天主教徒。徐光启在利玛窦的帮助下,翻译了《几何原本》、《泰西水法》等著作。他在著作中指出,古代数学经典《九章算术》与西方数学“其法略同,其义全阙,学者不能识其由”;“泰西子之译测量诸法….与《周髀》、《九章》之勾股测望,异乎?不异也。不异,何贵焉?亦贵其义也。”即中国与西方数学的根本差别,即前者只重定理结论,而不讲究直接、详细、明确的证明。(中国的数学与逻辑的关系极小,所谓经世致用,观察,只是为了看到用的规律,是两种工具,两个境界,因为借助逻辑,人们可以超越自我,达到有如慧眼一般的存在。)利玛窦只是一个意大利来的普通的天主教神父,他的数学知识不敢说远超过我们历史上为数不多的几位知名数学家之一徐光启,至少也是差不多的吧。对于为什么有这样的情况,徐光启是这样讲原因的,中国学者研究科学者 “越百载一人焉,或二三百载一人焉,此其间工拙何可较论哉”。李鸿章以为思想冲击从那个时期才开始,他可能不知道至少早他三百年已经有苗头了,可能也预料不到冲击如此巨大,影响如此深远,过程如此曲折,代价如此沉重。
   1898年,戊戌变法。
   1911年,辛亥革命。
   1912年,溥仪退位。
   1919年,五四运动。
   1937年,抗日战争全面爆发。
   1949年,中华人民共和国成立。
   1900年,普朗克提出辐射量子假说。
   1905年,爱因斯坦引进光量子概念。
   1913年,玻尔建立起原子的量子理论。
   1923年,德布罗意创立物质波理论。
   1924年,泡利发表了“不相容原理“。
   1925年,海森堡和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学。
   1926年,薛定谔创立波动力学并证明其理论与矩阵力学在数学上一致。
   1926年,海森堡提出不确定性原理。
   1948年,费曼创立量子力学的路径积分形式。
   就像前面所说,哥白尼的日心说拉开了现代科学的大幕,对当时主流的地心说造成了巨大冲击。同样的,量子力学一路发展过程中也在物理学家心中引起了非常大的冲击,以至于爱因斯坦这样的大科学家也不得不对量子力学的“哥本哈根解释”说出了“上帝不掷骰子”这样的评价。而其中最大的冲击就是由于海森堡的不确定性原理引起的。
   霍金在书中用踢足球的比喻来体现这个原理所用到的双缝干涉试验。让一个球员站在球门前罚点球,他和球门中间砌了一堵墙,中间开了两条刚好比球大一点的缝。这个球员随机随意地朝球门连续踢很多次球,分别做两次试验。第一次只开一条缝,球从球员脚下到球门的位置基本会形成一条经过开缝的直线。第二次两条缝同时打开。就我们的日常经验,两条缝都开着时进球数会比只开一条缝多,两条开缝就从球员脚下到球落在球门某个位置形成两条直线并构成一个角度。开两条缝不会让原来只开一条缝时落到球门上某个位置的球数减少,只是会增加通过第二条缝的落到球门上的球数。但是在量子世界情况不是如此,量子们好像有灵性一样,知道开了两条缝,原来打开的那条缝对应到到达球门某个位置的球数减少了,在球门其它位置的多了,并在球门形成了波的干涉图形。为什么这样呢?假如你是站在球门线上的守门员,为了让球不进球门,你提前对球的运动进行观察,判断球的落点,并做出扑救动作。当你把所有的球扑救完,你发现球落在球门的位置情况和你不进行观察扑救时的情况不同了,罚球球员是随机随意踢的,球出现在球门位置呈现波的干涉现象,按照我们的日常经验,球射到球门的位置是由踢球者决定的,与守门员无关。但是守门员观察后,出现在球门的波干涉现象消失了,波坍塌了。
   在牛顿的经典物理时代,我们习惯了测量一个物体的速度和位置及其受力的情况后,可以准确的得出将来某个时间这个物体确定的速度,位置。但是在量子的世界里,这个情况不复存在了。我们的对某个物体的观测至少需要一个光子从这个物体上弹回来,如果这个物体是个宏观的物体,那这个光子就不会对物体的运动产生显著的影响。如果这个物体是个微小的粒子如电子,光子照上去就会影响这个粒子的运动状态。也就是说粒子在某一时刻的位置与动量,是不能同时准确给出的。对粒子的位置进行一次精确测量,会影响到粒子动量的精确性,位置测量的越精确,它的动量就会越不精确,反之亦然。海森堡的不确定性原理的数学描述就是:位置测量误差乘以动量测量误差约等于普朗克常量。(这就是主观截断的成果,在微观界中的物理量无法同时准确测量,但是可以通过理论计算得出实际值与测量值的误差之间的关系,而这关系就是通向预测和运用的中间工具,通过这个关系,人们可以推测和演算出现实中可以作用于现实物的理论,使人类更近一步。)我们的观测会改变被观测对象本身的运动,我们不能够再向经典物理时代里面一样,毫无顾忌的观测,然后准确预测量子的精确位置了。作为守门员的你根本不可能确定的知道球“原来”是要飞到球门的哪个“精确”的位置,你只能猜测球会飞到某个位置的概率,会飞到另外某个位置的概率。
   但是不确定性原理并没有完全推翻决定论,只是改变了决定论的形式。(这一点是必然的,要完全推翻人类已有的成果而自行建立能够预言和实际运用的理论,工作量是非常大的,基本上相当于人类文明要重来一次,没有谁有这样的精力和智力,以及创造力。在已有的成果可以矫正,并且矫正后仍然可以用来预言和实际运用的情况下,绝不应该去完全推翻过去的成就,那将意味着可能会使自己或是人类再次陷入迷茫中,因为新的更加简洁和准确的理论是不知道什么时候才能够建立起来的。)拉普拉斯到现在也许会说:“给定一个时间的宇宙的状态,我可以推出以前或者未来的一些可能的状态。”

  比较重要的是,上面所提的概率和我们日常经验所说的概率是不同的。用人掷飞镖来做比方,在日常经验中,通过观测飞镖前行的速率,角度等,飞镖落在某点位置的概率是可以很好预测的。原理上,不断提高测量的精度,我们可以预测的准确度可以想要多高就有多高。而量子力学里的概率则表现了自然最基本的随机性,我们无法通过提高测量精度来提高预测落点位置概率的准确性。
   正如前面所说,量子们让人觉得神奇的是,它们显得有灵性一样,知道前面的墙开了两条缝,知道飞向哪几个位置。更让人觉得神奇的是,按照美国理论物理学家费曼的研究成果,量子们其实是走了从踢球球员脚下到球门可以走的所有路线,这些路线包括直飞球门,也包括跑到谁的家里去一趟然后飞回球门,甚至包括飞到外太空遨游一番,再飞回球门等无穷的路线。神奇吧,是不是觉得像科幻小说。最让人觉得神奇甚至不可思议的还不是上面所讲的,而是这个结论:量子同时走了所有路线!(量子们的微观世界中量子走过了所有的路线,而量子界产生的奇迹也是极多的,这说明了什么?如果人们向量子一样走过自己想到的所有路,那么这个人可以创造奇迹的概率都会高出其他人太多,尽管在尝试中,会让他灰头土脸,但他走过了他认为可以做成事的所有路,故而成功几乎是必然的。这就是宇宙中实在的自然规律。正因为微观界的奇迹丛生,才使得它们组成的宏观世界中也充满了不可思议,你可以想象仅仅由简单有机物组成的生命体竟然能够自己动,进食,思考,爱恋,憎恨吗?所以,奇迹不是什么奇事,坚持的久,走的路多,仅此而已。)

        六、你干吗在乎别人怎么想?what do you care what other people think?
   子曰:弟子入则孝,出则弟,谨而信,泛爱众而亲仁。行有余力,则以学文。 《论语.学而》
   本节的标题用的是美国物理学家理查德.费曼的一部自传的名字。作为霍金《大设计》所述理论的创立者,我觉得很有必要单独介绍下这位特立独行的物理学家。费曼于1918年5月11日出生于美国纽约皇后区小镇Far Rockaway的一个俄罗斯移民犹太裔家庭。1935年进入麻省理工学院(MIT),先学数学,后学物理。1939年本科毕业。在自传中,费曼讲述了自己童年的经历,他的父亲是如何培养他的。
   "我父亲就是这样教育我的。他用许多这样的实例来讨论,没有任何压力,只是兴趣盎然的讨论。它在一生中一直激励我,使我对所有的科学领域着迷,我只是碰巧在物理学中建树多一些罢了。从某种意义上说,我是上瘾了——就像一个人在孩童时尝到什么甜头,就一直念念不忘。我就像个小孩,一直在找前面讲的那种奇妙的感受。尽管不是每次都能找到,却也时不时地能做到。(疯狂,极好!如果一个人对什么事情达到了疯狂的程度,那么他就非做成那件事不可,故而,实实在在的的疯狂对人的安身立命是有极大的好处的。)"
   "除了物理,我父亲还教了我另一样东西——也不知是对是错——那就是对某些东西的毫不尊重、毫不遵守。有一次,我还很小,坐在他腿上读新出的凹版印刷的《纽约时报》,看见一幅画,上边是一群教徒在向教皇叩首。我父亲说,“瞧这些人,都对另一个人叩首,他们有什么区别呢?因为这个人是教皇。”——他痛恨教皇,他说“他只不过戴着一顶教皇的皇冠罢了。”(要是一个将军,我爸会说是“他的肩章罢了”——反正是穿戴着的外在的东西)。接着,他说,“这教皇也是个人,他有着所有人共同的优缺点,也要吃喝拉撒,也是一个人罢了。”顺便提一句,我父亲是做制服的商人,所以他知道一个人穿着官服和脱去它,底下还是同样的人。(不信权威的怀疑,这种讲怀疑的话,还是爱因斯坦讲的最好!!)"
   和费曼同时期的校友钱学森则讲过这样的话:“加州理工学院就有许多这样的大师、这样的怪人,决不随大流,敢于想别人不敢想的,做别人不敢做的。大家都说好的东西,在他看来很一般,没什么。没有这种精神,怎么会有创新!”他还说:“今天我们有哪一所大学能做到这样?大家见面都是客客气气,学术讨论活跃不起来。这怎么能够培养创新人才?更不用说大师级人才了。”
   培养不出大师级人才难道仅仅是大学的事?难道只是科研领域没有培养出大师级人才?难道只是中国大陆而不是整个中华文化圈没有独立培养出来几个大师级人才? (我看来,“权威包办,儒学驯化”这八个字足以回答你的上述所有问题,中国本就是这样的一个国家,一个有权威的出来吹好,随之就有千万人随之。)


离线松下童子
只看该作者 沙发  发表于: 2015-04-27
《大设计》相关文字,续前面
七、历史
过去之中有着许许多多开放着的将来。
耶尔恩.吕森
历史是什么?是任人打扮的小姑娘?历史是普遍必然决定的还是特殊偶然不定的?对于这个问题,历史学家和历史哲学家给了不同的答案。现在物理学家也给了物理学中历史的定义:历史是事件的序列。你早上出门,一路坐车,经过天天要走的路线,来到公司,和同事讨论路上的见闻,然后开始工作。这就是你的“一日上班历史”,从家一路到公司的“上班历史”。它是由一系列的在不同时空转换的确定事件的序列。你今天可能选择这条路线,明天可能选择其它路线,总之你从家到公司在某一时段只能走一条路线。正如前面所说到的,量子会同时走从家到公司可走的所有路线,同时完成从家到公司的这些“历史”。量子悠哉悠哉的在上班路上闲逛,世界充满惊奇,怎能不把所有景象都好好看一遍呢。到了公司,同事问量子,你今天走哪条路来的?量子挠了挠头,哪条路?我走了所有的路,具体哪条,我也不知道。量子世界里,历史不再是唯一必然的,而是概率性的。(微观中,问题极多,寻找规律及可用于预言的理论是极其困难的。)
难以置信,量子世界和宏观世界差异如此之大。这是什么原因造成的呢?在宏观世界,从经典力学看来,从点A出发到点B是有确定的一条路线的(随便扔个东西出去就能够试验这点)。在微观世界,从量子力学看来,量子走了从点A到点B的所有路线,但是它们在靠近经典力学的那条确定唯一的路线上会互相增强,在远离那条路线上会互相抵消,于是便有了抵消掉的可按概率计算的几条主要路线。
更神奇的是惠勒的延迟选择试验所展现的:量子曾经走的路线可以由现在的观测所决定!在那堵双缝的墙后放置观测装置,等量子通过双缝,再打开观测装置,检查量子是从一条缝还是两条缝过来的。但是观测行为“决定”了量子是从一条缝过来,不形成干涉条纹而不观测,量子就是从两条缝过来的,形成干涉条纹。也就是量子去上班的时候,本来走了所有路线,但在某条路线的途中,遇到一位同事。现在这位同事“决定”了量子之前走的是同事所在这条路。量子的历史被现在所影响了!
后面我们将会看到,就像量子一样,宇宙也不是只有单一历史,而是每个可能的历史有它自己的可能性。我们现在对宇宙状态的观测影响了它的过去并决定了宇宙不同的历史。

中间的直线是经典力学的路线



 八、天才莫问出处
民族的新生不是来自上层阶级而是来自下层民众,从默默无闻的民众行列脱颖而出的天才是使人民重获青春活力的天才。《新自由》美国总统伍德罗.威尔逊(这句话有些政治的因素,因为,所有人类是一个集合,而上层阶级的人若在其环境中长成,则易成为猎,即明晓世事本源的人。而底层易成为猎物,及不明本源的人。前者主动而锋锐,后者警惕而柔和。但若有对于科学有所兴趣的人,就无所谓这些了,他们的心是被科学灌满的,他们之间无论阶层,都可成为朋友,并且都是产生新理论或新模型的奇迹源。)
宇宙能够被理解是因为它是由科学定律所控制的,也就是说宇宙的行为能够由一定的模型给出(这句话是不太恰当的。宇宙能够被理解是因为它是被科学定律所控制的,这种讲法是主客颠倒的,科学定律是固定模型中表现的印射现实规律的一些条令罢了,如何谈得上控制宇宙呢?定律制约可以说是霍金的另一个模型,定律模型,这是哲学概念中的哲学,也就是主观截断片段,他通过科学研究经验以及成果,认为宇宙都是可以用科学定律来解释的,掌握了科学定律,就掌握了宇宙的规律,并可以控制它的发展。这种主观截断是一个阶段的表现,说明霍金大家的科学水平已经是极高了,故而在主观截断的片段中才会有这么大的范围概念定论。我们应该说,人类能够出现,并伴随着可以用定律来表达的宇宙规律,真是一种奇迹,人类是庆幸的。)在牛顿得出万有引力定律后,其他科学家相继发现了电与磁之间的某种关系。而最先给出现代科学性表述的是一位没有受过多少正式教育的大科学家-法拉第。不知道是不是出于尊敬的原因,霍金在《大设计》中专门也是唯一的介绍了这位同乡科学家的生平。
法拉第1791年9月22日出生于英国伦敦附近的一个贫苦铁匠家庭。因家庭贫困仅上过几年小学,13岁时便在一家书店里当学徒。书店的工作使他有机会读到许多科学书籍。在送报、装订等工作之余,自学化学和电学,并动手做简单的实验,验证书上的内容。利用业余时间参加市哲学学会的学习活动,听自然哲学讲演,因而受到了自然科学的基础教育。由于他爱好科学研究,专心致志,受到英国化学家戴维的赏识,1813年3月由戴维举荐到皇家研究所任实验室助手。这是法拉第一生的转折点,从此他踏上了科学研究的道路。他不太懂数学,对于奇怪的电磁现象,要从理论角度去理解对他是个大挑战,但不管怎么样,他做到了。(机会总是留给有准备的人,清楚的说:机会总是留给利用一切机会学习的人。法拉第就是榜样!!利用书店学徒的身份,读科学书籍;利用业余时间,参加哲学学会,听自然哲学演讲;···最终,因为他的成绩引起戴维的赏识,完成了人生最重要的第一次转折。这种光辉事迹堪称万世学习者或者想要好生活的人的楷模。)
法拉第由于不太懂数学,反而让他能以一种形象的思维来理解电磁现象,并得出力场这一作为现代物理源泉的结论,同时他还发明了第一台电动机,永远的改变了人类文明。他后来还发现了磁场可以影响偏振光的特性。正因为法拉第如此大的成就,所以20英镑上印的头像就是他的头像。法拉第的笔记本中密密麻麻写着的不是数学公式,而是这些力线的手绘图表。数学训练的不足使他创造了如今任何物理课本中都可以看到的、美丽的力线图表。也让广大的中国学生不需要啃深奥的数学,动动左右手即可判断电流方向和磁场方向。不知道将来还有没有哪个物理学家有这个机会,能够在不懂数学的情况下,做出如此惊人的成就。(这句话不恰当。法拉第不是不懂数学,是起初不懂。一个模型,一套理论的出现,没有数学是断然不可能的!因为,理论成果一定程度上是可以用来预言的,那是一种超越人类现实感官但却可以去验证的东西。数学由两部分组成:逻辑、数据。不能小看它。)  

九、传统是什么?
儒主传统翼教,而硕士名贤之训附之。
胡应麟《少室山房笔丛•九流绪论上》
“如果说我看得比别人更远些,那是因为我站在巨人的肩膀上”,牛顿这句话无疑表明了英国的科学传统,在他之后还涌现了很多非常著名的科学家,前面的法拉第是其中一位,《大设计》作者霍金也是其中一位。英国科学界的传统荣耀一直在延续。2010年诺贝尔物理学奖获得者就是两位来自曼彻斯特大学的教授。我们是不是该多思考下我们的传统呢?
英国物理学家麦克斯韦尔在法拉第的基础上,发展出了一套数学等式来解释电、磁和光之间的神秘关系,最终把电荷间的力和磁极间的力合成了统一的电磁相互作用力。电磁相互作用力和引力不同的是,同种电荷或同种磁极总是互相排斥的,而引力却总是互相吸引的。引力比电磁相互作用力小得多,所以平时两个人这种普通质量的人站在一起,是完全感觉不到这种引力的。若万有引力的强度为1 ,则电磁相互作用力则为10^36。两者相差1后面37个零那么大。麦克斯韦尔的方程式恐怕是现代最有实际应用价值的物理公式,从家用电器到电脑等各类电器设备就离不开它。麦克斯韦尔方程组还有一个非常显著的科学特性:简单。(简单最重要的是:意味着它的前途远大,可以有更广阔的预言前景。)在科学中简单就意味着美!麦克斯韦尔同时还发现光也是一种电磁波。微波、红外线、X射线和不同颜色的光都是电磁波,只是波长不同。太阳实际每天都会发射各种波长的电磁波,我们眼睛所能看到的光通常只是波长在400到700纳米之间的电磁波。
麦克斯韦尔的方程式预测光速是每秒30万公里。我们知道在牛顿力学下,速度是相对的,是在一定参照物选取下得出来的。但是麦克斯韦尔的方程式是应用于整个宇宙的,那么他的方程式里的光速每秒30万公里是什么意思?是选了地球做参照物还是选了太阳或者什么其它天体做参照物?光速和牛顿力学有 了明显的矛盾。(相对论中,是绝对的。不知道霍金认为哪个合适?)
红光和紫光波长 版权归霍金所有

  十、科学革命
科学借助于一种比积累更加革命的方法增长,这种方法破坏,改变和改造一切,包括它最重要的工具即我们的神话和理论所由表达的语言。(用改善或许更加恰当,科学所指向的东西,对人类的发展是积极的。)
卡尔.波普尔 《猜想与反驳》
在麦克斯韦尔的结论光是电磁波的结论中,有一个和日常经验非常不同之处,那就是波必须通过介质才能传播。既然光是电磁波,那么它传播的介质是什么?怎么我们从来没有观测到这种介质?现在有了两个矛盾之处了:一个是光速和牛顿力学速度相对性的矛盾,一个是光作为波传播与日常经验的矛盾。当旧理论出现裂痕出现矛盾时,人们总是习惯修正旧理论,让旧理论能够弥合。为了弥合麦克斯韦尔电磁理论中的这两个矛盾,所以有了以太这个学说。
但是真正的创造需要“破坏性创新”,而大多数人因为教育习惯的关系,无法从旧有知识体系里脱离出来,这也许是为什么很多创造性天才不是出自“名门正派”的原因吧。这次“横空出世“的天才是一位不知名的在伯尔尼专利局工作的年轻人:爱因斯坦。(这一个段落说得极好!破坏性创新,提得也很好,就是看这个破坏性是如何达到的?霍金,是在看透其本源后进行的,我知道的有两次跨越,一是:之前,信基督教,但明白了一些奇异的现象,如掷硬币,只是心理学现象等,就不信了。二是,霍金与爱因斯坦不同,从小除了比较聪明外,和我们一样,是本分的学生,学习内容也基本是书本内容,在后来,生活的困难让他选择了研究理论物理后,他刻苦研究,明白了科学理论的本源是一个个不同的条件下的模型,这本书应该是这种情况满足下写出来的。所以,这本书的价值在我看来,是无上的。人们研究和运用科学近千年,始终不明白科学自身实际上是什么东西,只是在其是否实用,是否能够符合客观物上努力,极容易遇到瓶颈,且若是没有牛顿、爱因斯坦那样的巨匠出现,极难突破。除了这一个方面的贡献,霍金对科学本源的解读,也为我们普通人提供了一个可以找出用来预言和成事的理论的希望,以及方法,这一点或许马克思稍有提及,但与这里是不能相提并论的。而爱因斯坦的破坏性创新思维则几乎是天生的,有人说他是受了马赫、休谟哲学的影响,或许不太正确,他从小总是从事着常人不可思议的动作,无时无刻不在思索,后来他也喜欢用物理的方法去证明一些已经出现且有了结果的化学命题,当然他证明和计算的有很多还是物理命题,这些除了给自己积攒些名气外,有没有自己对于现实客观世界认知的验证呢?有没有小试牛刀以图后来写出相对论进行一些大的预言的准备呢?这和毛泽东刚进大学是评商鞅变法的文章有什么异同吗?五四运动的文章?以及1927年《湖南农民运动考察报告》?很多人都说毛泽东也有预言能力,但是谁能看到语言之前,用自己观点得出结论的验证性的试探呢?当然,毛泽东在这方面是没有什么传下来的,但和爱因斯坦之前的情况是多么的相似,可谓是英雄所见略同啊!故而,可以总结说:如果牛顿、爱因斯坦、毛泽东等这些天才为我们提供了发展可预言理论的过程和方法的话,霍金就是使得它更加普遍,更易理解了。霍金,是我们在学术界的平民英雄!这个称号在我看来,他当之无愧。)
爱因斯坦在狭义相对论中推测光速不会随着发光源的移动速度改变,不管选取什么参照物,光速都是一样的。设想一下,一个人坐在飞机上飞在天空中,他两次打开头顶上的灯光,灯光每次都照在他身上的同一个位置,对于他来说这两件事发生在同一位置,位置没有改变,距离为零。而对于地球上的某个人来说,因为飞机在飞行,所以两件事发生的位置是不同的,距离大于零。我们把这个思维试验修改一下,改成飞机上的人只开了一次灯,显然灯光从灯射到他身上,飞机也移动了位置。这时两个人对于光的移动距离的结论是不同的。而速率是移动的距离除以时间得来的,如果两人赞同光速是一样的,则他们就会认为时间是不一样的。
爱因斯坦带来了对时间和空间的革命性观点。伽利略、牛顿带来了运动和速度相对性的观点,而爱因斯坦则带来了时间相对性的观点。有趣的是,这个时间不同的效应是不依赖于物体本身性质的,不管是对于时钟还是对于人的身体,时间的快慢都会影响他们。不过这个效应比较小,所以我们平时感觉不到。时间和空间不再理所当然的被物理学家分开了,时间和空间合并在了一起,称作时空。(这个创新真的是跨越了人类的一切感知和想象,说成创世纪也不为过,那按照过去的说法,在学术界,我们可以称爱因斯坦为“上帝”了。)
但是爱因斯坦发现他的狭义相对论和牛顿万有引力定律有不兼容的地方。回想下牛顿万有引力定律,在某一时刻,物体间根据他们之间的距离相互吸引。但是狭义相对论抛弃了绝对时间的概念,所以没有办法定义什么时候物体间的距离应当被测量。所以爱因斯坦发展了广义相对论,引力在广义相对论里是时空扭曲的结果。
虽然麦克斯韦尔的电磁理论,爱因斯坦的广义相对论和牛顿的经典理论一样,在当时都是革命性的理论,但是这些理论都认为宇宙只有单一的历史。在原子和亚原子层,这些理论与实际观测都不太符合。不过在日常生活中,我们还是会继续使用经典理论,如果我们要了解原子的行为,我们需要麦克斯韦尔电磁理论的“量子版“,如果我们想明白早期宇宙,我们必须使用广义相对论的”量子版“。我们需要这些理论是因为我们要对自然有个基础性的理解。但是如果有些定律是量子理论的而其它是经典理论,就会变得不一致。所以我们需要找到自然界所有定律的量子版(难!)。这样的理论叫做量子场理论。

  十一、真理
任何……理论最好不过的命运是,指明通往一个更加广包的理论的途径,而它则作为一个极限情形在后一理论中继续存在下去(这一理论的预言好是简介和明了,当然,也正确,不愧是天才。) 阿尔伯特.爱因斯坦
有必要澄清下,本文的题目虽然叫宇宙的终极答案,但实际上霍金的《大设计》完全没有表达“终极答案”的意思。只是我为了吸引眼球,而另外取的题目。我认为并没有永远的真理,只有错误不断减少不断逼近真理的理论而已。在物理学上,M理论离物理真理有多远?我不知道。不过看来霍金比较乐观,而他的同事,《皇帝的新脑》作者罗杰.彭罗斯在这个问题上就悲观很多。实际上科学的发展进程就是不断的检验、质疑和推翻过程,这也是科学区别于宗教非常鲜明的特征之一。(宗教中一些观点,及时现实中的事物早已改变的不成样,她们也至多是去弥补一些,不会去更改的,这叫做信仰,它提供的只是精神的慰藉,而科学是为了改变和理解现实物,尽管它们是同源的,但在发展中,各自的枝杈都发生了截然不同的变化,渐渐的完全分离了。科学满足不了精神慰藉,有时还要打击脆弱的心灵;宗教也改变不了现实,同样的有时反而要做绊脚石。)
目前自然界已知的有四种基本力:
1. 引力,长距离力,作用在宇宙中所有事物上。
2. 电磁相互作用力,负责所有化学和生物的力。
3. 弱核力,导致放射性,在宇宙早期扮演重要角色。
4. 强核力,使原子中的质子和中子结合在一起。
第一种有量子版的力是电磁力,电磁力的量子理论是由理查德.费曼等人发展的,全称叫量子电动力学,英文简称QED,而且这个理论变成了所有量子场理论。根据经典理论,力是通过场传递的。但是量子场理论中力场被描绘成由不同的叫做玻色子的基本粒子不断在实物粒子之间飞来飞去,发射吸收传递的。实物粒子叫做费米子。电子和夸克就是费米子的一种。而光子则是玻色子的一种。根据QED,所有粒子的互动被描绘成了交换光子。
QED在数学计算比较难,是因为要把粒子间交互的所有历史情况计算进去。所以费曼提供了一种图形的方式来表达总和历史(Sum Over History)中的术语。这些图被称作费曼图,是现代物理中最重要的工具,不但应用于QED理论中,而且应用于所有量子场理论中。在费曼图中,电子用实线表示,光子发射吸收的交换过程用波浪线表示,时间从下往上流逝。图A就表示两个电子互相靠近,交换光子,然后散射的过程。但是我们必须考虑所有的历史,所以需要包括像图B这样的图形。图B也是表示了电子的靠近然后散射的过程,不过这个过程中,交换了两个光子。在下图中,只是表达了一些可能的历史,实际上有无限多的历史需要数学考虑。
   这里的可能性,指的是给定初始动量的电子在与其它电子交互后,通过汇总每个费曼图计算得到的电子散射开时的一些特殊的最终的动量。虽然每个电子的初始能量和动量可以固定,但是在闭包(closed loops)的图形中可以有任意的能量和动量。这个就有相当大的麻烦,因为在费曼图中要汇总一种历史,不但要汇总所有图(所有历史),而且要汇总所有能量和动量,这就会带来无限大的结果,也就是电子有可能带无限大的电荷和质量。为了处理这个无限的情况,物理学家发明了重正化(renormalization)的方法。重正化通过小心的数学计算,把正的无限大与负的无限大相加而抵消掉,得到了有限可观测的电荷。但是这样做的一个弊端就是电子交互后所得到的电荷和质量不再能够由理论预测,电荷和质量是任意有限的值。但是一旦我们固定通过这种方式得出的质量和电荷,QED的预测与试验结果异常的符合。所以重正化成了QED必要的元素。
QED的成功激励了用量子场理论描述其它三种力的尝试。其实自然界的四种力可能只是因为我们缺乏对自然界的了解进行的一种人为的分类。科学家们开始寻找能够与量子理论兼容,统一四种分类至一个简单定律的所有事物的理论。这将是物理学的圣杯!(从这些描述来看,M理论已经到了臃肿的程度,这只是一种力,还有三种,若都凑齐了,体系和用于预言的计算量将是极大的,耗费的时间当然也是极大,除非计算技术又有所突破,否则,M理论或许也就走到它的极限了。当然,这些只是我的想法,或许科学界的天才们能有别的方法去克服这些我所谓的难题也不一定。

费曼图,只是部分可能的历史情况 版权归霍金所有


  十二、所有事物的理论 The Theory of Everything
第一个统一理论的线索来源于弱核力理论。1967年Abdus Salam和Steven Weinberg各自独立提出理论,统一了电磁力和弱核力,这个力叫电弱力。这个理论同样可以重正化,并预言了三种新粒子:W+,W-和Z0。(这种预言,预言的是一种存在,不存在时间的跨度,但也是极为珍贵的。)这三种粒子直到1983年才全部观察到。
能够被重正化的强核力理论叫做量子色动力学,英文简称QCD。根据量子色动力学,质子,中子等物质粒子由夸克组成。之所以叫做量子色动力学是因为夸克有非常特别的特性,虽然和肉眼可见的颜色没有关系,不过物理学家还是这种特性称作“色”:红,绿,蓝三色。每个夸克都有反粒子伴侣,相应的“色”被物理学家称作反红,反绿,反蓝。(正反相伴,这或许就是我们所处的宇宙的一种为存在而产生的基本规则。稳定都是如此换来的。新中国初和文革中,完全没有的土匪,中国人的腰包就渐渐地瘪了(有钱人渐渐少了),完全没有资本家,社会不稳定,他们通过各种方式挣钱,虽然极为艰难。即便毛泽东所在的时代,被外国人称为是“工业革命时期”,但却并不稳定,成绩基本都是贫下中农和被强制压迫的资本家(一些有点笨的资本家),也就是,全国90%的人民做出的(毛泽东愿意这样描述,因为他希望被团结的都称为劳动者。)。而今天,中国存在了帮派,存在了贪官,存在了因为生活逼迫而出来卖淫的妇女,存在了随意扣除农民工的劳动所得的资本家,当然,一些打工仔,农民工,等等的被欺压者也同时存在,社会就和谐了,稳定了,强者重新奴役了弱者,世界恢复了原样,因为弱者统治强者的规则的维持着不在了,和谐的社会仅仅存在的是强者对弱者的同情,即:和谐,朴实,善良,孝顺,等等,中华民族的优秀传统。故而正反相伴是我们所处的宇宙的基本规则,正占主体,还是反占主体,要看谁强?当然,表面看起来似乎是势均力敌的,但弱的强的一方面总在得利,强的一方面的削减是其内部的不均衡产生的,当然存在下来的是更强者。)这三种夸克形成的稳定粒子称作重子,质子和中子就是这样的重子,构成了原子核,并且是宇宙中所有物质的基础。
QCD还指出,夸克有一种叫做渐近自由的特性,夸克间的强力就像橡皮一样在靠近时比较小,随着距离的增加而变大。这个渐近自由解释了为什么我们没有在自然界单独见到夸克,也不能在实验室产生它们。即使我们不能观测到单个的夸克,但是我们可以接受夸克模型,因为这个模型在解释质子,中子等行为上非常准确。(仅此一句事实,足以!
在统一了弱核力和电磁力后,物理学家在上个世纪70年代开始寻找把强力统一进这个理论并提出了很多称之为大统一理论GUT的学说。这些学说大部分都预测质子平均会在10的32次方年后衰减。在量子力学中,说粒子的平均寿命是10的32次方年并不是说在那一年粒子会一下子衰减完,而是说粒子会1年衰减10的32次方分之一。这个试验并不难做,因为几千吨水就包含这么多质子。但是为了排除宇宙射线的干扰,试验是在日本一个矿井里进行的。最后的结果表明,如果质子会衰减,那么衰减的时间是10的34次方年,与这些大统一理论的预测相差百倍,这么大的差距,对于这些理论来说,并不是个好消息(看来,要有时间跨度的预言,还得在验证是误差极小才能够实际运用,这是较为苛刻的一点。)因为这些试验的证据并不支持大统一理论,大多数物理学家转向了称为标准模型的理论。标准模型虽然非常成功,并与现有观测相符,但是它只是统一了电弱力,并有单独针对强核力的QCD理论,而且没有包括引力。
虽然统一电弱力和强力有些困难,但是与统一引力比起来,就不算什么呢。物理学家甚至还没有单独的量子引力理论。没有量子引力理论的原因是因为测不准原理,测不准原理限制了绝对真空,绝对真空意味着力场值和转换速率为零。但是测不准原理不允许力场值和转换速率两个同时确定。可以有一种最小能量的状态,这种状态叫真空,但是这种状态服从真空波动-一种粒子和力场存在和不存在的颤动。真空波动类似于粒子对,某刻同时出现,离开然后又在一起出现。在费曼图中,它们类似于闭包。这些粒子称作虚粒子。不像实粒子,虚粒子无法通过粒子探测器直接观察到。但是,它们的间接效应,如电子轨道的能量微小变化,能够被测量并且相当精确的符合理论预测。问题是,虚粒子有能量,而且因为有无数的虚粒子对,所以就有无限的能量。根据广义相对论,这就意味着它们能够弯曲宇宙至无限小的尺寸,但这显然与事实不符。头疼的无限!虽然在强力,弱核力和电磁力中,通过重正化消除了无限,但是在费曼图中,引力产生的无限无法被重正化消除。所以重正化这条路看来在这里是走不通了。1976年,一个解决这个问题的可行办法被发现了,称作超引力。之所以叫做超引力,指的是理论具有某种对称性,这个对称性叫做超对称性。在物理中,对称性意味着某种属性不会跟着一定的转换而改变的特性。就像你仍一个洋葱圈,它在空中看起来是一样的。超对称性意味着力和物质是同一个事物的两面。(这一点确实是太新鲜了,可以说完全颠覆了之前所学的学问,和日常经验都可能是相悖的,但是若真的能够实现统一并能够准确预言出一系列事实的话,就证明了我们的日常经验或许也并不是那么回事,那么真正撑起人类的就是逻辑了,只有逻辑,因为之前我就曾思索过,都说人类比动物有知识,知识就是经验,那么看起来似乎动物的许多经验还需要人类去努力学习呢!那么任何动物又有什么不同呢?若果说,逻辑使人类渐渐地脱离了原始自然态,那么它的本源是什么?是弱者渐渐变为强者的过程中,对经验的积累和演化吗?还是这个过程中出现的奇迹总和呢?看来人类确实是一个有意思的群体,只因为自己就是其中一员而从未注意罢了。)从实际上,就是每个像夸克这样的物质粒子,都有一个力粒子伙伴,而每个光子这样的力粒子,则有一个物质粒子伙伴。这就为解决无限的难题带来了新思路,闭包中的力粒子的正无限与闭包中物质粒子的负无限互相抵消。不幸的是,要计算抵消后,是否还有无限存在非常困难而且容易出错以至于没有人愿意做这个计算。即便如此,大多数物理学家还是相信超引力可能是统一引力和其它力的正确答案。现在要等待的是日内瓦的大型强子对撞加速机的试验结果。(这也是产生一个合理模型,一套用于预言和实用的理论产生的必须物,如果我要发现一个可以预言的理论,应该怎么去解决这个相当于试验及实验结果的难题呢?)
对称性是创建超引力的关键,但是这个概念是在称为弦论的理论中提出来的。根据弦论,粒子不是点,而是没有高度和宽度只有长度的弦。弦论也会导致无限,但是正确的版本,被认为可以抵消掉这些无限。弦论有个不寻常的特性,他们不与我们现在感觉到的四维时空一致,只与十维时空一致。但是为什么我们感觉不到除了四维时空以外额外的时空呢?因为那些额外的时空非常非常非常小,被卷曲在了一起。这个卷曲的时空称作内部时空,以与我们日常感觉的时空做区别。这些卷曲的时空不但只是多出来了时空维数,它实际上还有非常重要的物理意义。(这个模型似乎挺复杂,十个维度,要想驾驭,那得三个爱因斯坦一样的天才共同努力啊!~那么四个维度以外的维度,科学界打算怎么去探究呢?)

美丽的夸克(真正的夸克并不会有颜色)版权归霍金所有。



  除了时空维度问题,弦论还有另外一个笨拙的问题:最初的弦论至少有5种不同的理论,有着几百万种弯曲的时空的方式,所以弦论不大可能成为统一理论。从1994年开始,物理学家开始寻找描述同一现象的更简单方法。他们发现超引力和其它弦论也有关。弦论物理学家开始相信弦论和超引力只是同一基础理论的不同近似。(这应该是科学探究的一个经验了吧!)
这个基础理论称作M理论。看来没有人知道M表示什么意思,M也许表示主要(master)理论,也许表示奇迹(miracle)理论,也许表示神秘(mystery)理论,也许是三种意思的合并。人们依然在尽可能了解M理论的本性,但这也许不可能实现。物理学家以前期望的单一的统一理论和数学公式也许是站不住脚的。我们不得不对不同的现象采用不同的理论。每个理论有每个理论面对的实在,根据依赖模型的实在哲学观,这些理论是可以接受的,只要理论在重叠部分对现象的预测是一致的。不管M理论是作为单个公式存在还是一个公式网络,我们了解这个理论的一些属性。首先,M理论有11维时空,而不是弦论所说的10维时空。最近的研究表明,确实有1维时空被忽视掉了。当然M理论不止能包含振动的弦,还可以包含点粒子,二维的膜,三维的水滴,以及其它更难图像化表示甚至是占据9维空间的物体。这样的物体被称作P-branes。
那么特别多的卷曲微小维度方式是什么呢?在M理论中,这些额外的空间维度不能够用任何方式卷曲。背后的数学基础限制了内部时空维度的卷曲。内部空间的确切形状决定了物理常量的值:电子电量,基本粒子交互本性等。(这句话将我们引向了另一层境界,那就是我们知道的规律,或许只是扭曲了的空间的表现,像当时爱因斯坦的理论解释引力一样,这真是人类奇迹的延续和突破啊!)也就是说它决定了自然明显的定律。我们说“明显”的意思是我们在宇宙观察中得到的四种力的定律和如质量和电量等决定基本粒子特性的参数。这些定律背后更基础的定律就是M理论。
M理论允许有明显不同定律的不同的宇宙,这取决于内部空间如何卷曲的。M理论对于不同的内部空间卷曲有多达10的500次方的解决办法,这意味着有10的500次方的有自己定律的宇宙!
几个世纪以前,牛顿展示的数学等式能够提供从地上到天上的物体交互的准确的描述。科学家们因此相信只要我们知道了正确的理论并有足够的计算能力整个宇宙的未来能够被推导出来。随着量子力学的不确定性,弯曲空间,夸克,弦,额外的维度和10的500次方个宇宙,每个有自己不同的定律,其中一个符合我们现在所在的宇宙。物理学家们最初的通过几个简单假设,创建单个理论解释我们宇宙的想法不得不被抛弃。那留下来给我们的是什么?如果M理论允许天量的有着不同定律的宇宙,我们在现有的宇宙中,面对这些明显的定律,能够做些什么?那些其它可能的宇宙又是什么?(问题很多,前途也是很广的,但其中的努力就更不用说,是极大了。)
  十三、开天辟地创世纪
天地浑沌如鸡子,盘古生其中。万八千岁,天地开辟,阳清为天,阴浊为地。盘古在其中,一日九变,神于天,圣于地。天日高一丈,地日厚一丈,盘古日长一丈,如此万八千岁。天数极高,地数极深,盘古极长。(积累极扎实!好!)

每个民族每个文明几乎都有自己的创世神话,西方基督教也好,伊斯兰教也好,甚至非洲的原始部落,都有自己的创世神话。现在科学也有自己的“创世神话”。
科学与宗教最大的不同就是允许你不信它,允许你质疑它,允许你批判它,允许你推翻它。科学不强迫你,科学给你充分的自由,科学不恐吓你,科学不用你给它香火钱,科学不用你买它的赎罪券。科学让你用机器生产的香烛拜插着电的关公,科学让你坐汽车,坐飞机去朝拜圣地,科学还让你在互联网上传播你的任何反科学言论。科学让你不用为大多数的疾病担惊受怕,科学让你不用看老天爷的脸色,整日劳动还难保温饱。科学让你能与万里之外的情人如亲见般互诉衷肠,科学让整年在外的游子能方便回家,感受家庭的温馨。(这里对科学的描述还真是温馨浪漫啊!~但也都是事实,但是享受这些便利却是要付出劳动的,当然不一定能够享受得到,你也需要去信奉他,研究它,才能给你带来改变,故而也有一定的相似性。但除了这些温馨浪漫,科学也有它冷酷无情的一面,你可以不信它,但事实会告诉你绝不可以!你可以谈反科学言论,但实际的行为却又不得不遵守它!你可以推翻它,但你必须得用现实的预言或运用证明你比它更具有现实的权威性!故而可以说:科学是任何人不得不信的宗教,是长信常新的永远都不会有远离现实的感觉的宗教,科学的教堂不容亵渎,科学的信徒是最多的,不是吗?如果有人吹嘘说基督教的信徒最多,我第一个反对!!科学的信徒,全球60亿人,我不敢说59亿人,起码有50亿人吧!?哪个教能有上十亿信徒?没有吧!纵使有,也不可能比信科学的多吧!科学,照我说,就应该是最大的宗教!!)
科学是理性的,这里没有美好的谎言,不会哄你上天堂;这里也没有恶毒的诅咒,不会骗你下地狱。你想活在谎言里,科学方便你,你想知道真相,科学欢迎你。你想寻找温暖,科学方便你,你想寻找人生意义,科学还是方便你。科学解决不了你所有的问题,但是科学可以给你更多的手段解决你的问题。科学创造不了你内心的小宇宙,但是科学能告诉你,你所在的宇宙是怎么回事。(最后这句说得不太恰当,科学可以创造你内心的宇宙,但是必须得你自己动起来。前面的一些也有些过了,科学是最大的宗教,不过,它的奖励和惩罚是以现实结果为基础的,而不是口头的所谓天堂地狱等等。我们每个人都应该将科学立为自己的信仰之一,这样才能在内心和现实中得到真正的慰藉,而非仅仅是口头的承诺。)为什么有宇宙?为什么宇宙会是这样的?
旧约中写到上帝在创造世界六天后创造了亚当和夏娃。Bishop Ussher,17世纪爱尔兰的主教甚至准确预测上帝是在公元前4004年10月27日早上9点钟创建的世界。实际宇宙年龄有多大?137亿年。第一项确实的关于宇宙年龄的科学证据是由哈勃发现的。通过分析恒星发射的光谱,哈勃确定所有的星系都在离我们远去。离得越远,离开的速度越快。1929年,哈勃出版了关于恒星离开速度的定律,并得出结论宇宙是膨胀的。如果这是真的,那宇宙以前肯定要小些。实际上,如果我们按此推断,宇宙中所有的物质和能量会集中在很小的有着无法想象的密度和热度的区域里。如果再往回推断,宇宙一定有个所有事情的开始,这个开始我们称之为大爆炸。(大爆炸模型已经用了很多年,在天体物理中一直占主体位置,包括现今的M理论也是基于这一模型的,那说明这一模型的极限仍未达到,那么或许这一模型就是距离真实的宇宙之始最近的模型了。当然,如果它的极限达到了,或许理论物理科学界会有翻天覆地的改变,也有可能现在所有的理论都要改变,但更加适合于预言是肯定的,因为看的更加清晰了。)
宇宙膨胀类似于气球的膨胀,天体就像是气球上的点,随着气球膨胀,天体的距离越来越远,天体离得越远,分离的速度越快。值得注意的是,宇宙膨胀不会改变物质、天体本身的大小。

  星系是越离越远的,似乎在哈勃由爱因斯坦的等式得出理论结果前就有结论了。(看来通过准确的观测和符合事实的细致分析,也是可以达到预言效果的,并且可能会更简洁。可能也有缺陷,就是:不能预言没有观测到的事物。)1922年,俄国物理学家和数学家亚历山大.弗瑞得曼设定了两个假设,在数学上极大的简化了宇宙模型,得出结论:宇宙在所有观察点从所有方向上看起来是相等的。(这句话的成立,对尺度有要求,但不影响作用,因为一切假设都会在经历了理论和观测的验证后决定弃留。)我们知道弗瑞得曼第一个假设不是真的,宇宙不是那么幸运地刚好到处一致。但是只要观察的尺度够大,大到比星系间的距离还大,宇宙看起来就是各向相同的了。这就有点像在天上看地上的一片森林,离得近的时候,可能可以看到每片树叶,上去一点,可能只能看到树木,再上去些,看到整片森林,这片森林看上去就是到处一致的,看不到其中的细节差别了。我们就可以这样说,在这个尺度上,森林是一致的。根据他的假设,弗瑞得曼发现了解决爱因斯坦等式的方法并得到很快哈勃就会发现的宇宙膨胀的结论。弗瑞得曼的模型宇宙开始的时候尺寸为零,然后爆炸直到引力让宇宙慢下来。按爱因斯坦的等式和弗瑞得曼的假设,宇宙一直膨胀,永远膨胀下去,或者宇宙的膨胀慢下来,膨胀速度无限接近于零,但是永远达不到零。
宇宙大爆炸的证据是在1965年被发现的,宇宙空间中存在着比微波炉的微波更加微弱的宇宙背景微波,简称CMBR。你可以把电视调到没有的频道,电视机中有些雪花就是这种微波引起的(不过我估计很少有人有带雪花的电视了^-^)。这些宇宙背景微波是由贝尔试验室的物理学家无意中发现的。在大爆炸初期,这些微波非常热,随着宇宙的扩张,它们慢慢冷却下来,现在这些微波已经不能用来烘焙东西了。宇宙大爆炸第一分钟,宇宙非常热,比恒星内部还热。在这段时间,整个宇宙像是核反应堆,不过随着宇宙扩张,核反应已经停止了,温度也降下来了。大爆炸理论预测宇宙主要会包含氢,包含百分之二十三的氦,包含锂。这个预测符合我们对氢,氦,锂的观测。虽然有这两项可信的证据证实宇宙大爆炸理论,不过还是有人认为宇宙大爆炸理论是不正确的。根据爱因斯坦的广义相对论,时间上有个起点,在这个起点,宇宙的温度,密度和卷曲度是无限大的,这个起点数学上叫做奇点。对于物理学家来说,爱因斯坦的理论在这个点上是无效的,因而不能够用来预测宇宙是怎么开始的,只能够用来预测宇宙在那之后是怎样进化的。所以虽然我们可以用广义相对论和宇宙大爆炸理论倒推宇宙至非常年轻的阶段,但是不能把大爆炸理论一直推到起点上去。(奇点使得爱因斯坦的模型走到了极限,但现今好像也仍然无法解决,这好像是理论物理的宿命,除非有更先进的数学体系出现,并根据此体系,得出新的模型。
等下再谈宇宙的起始,先介绍下宇宙开始扩张的第一阶段,物理学家把它称作暴涨。这个阶段宇宙在0.00000000000000000000000000000000001秒内膨胀了1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000倍。这听起来违背了相对论关于速度的极限的定律,但是这个速度极限不适用于空间扩张本身。
暴涨理论是在1980年时,超越爱因斯坦广义相对论考虑量子理论时提出来的。因为我们还没有关于引力的量子理论,所以暴涨发生的细节物理学家还不能完全确定。不过根据传统的大爆炸理论,暴涨不是完全一致的。这种不一致导致了宇宙背景微波在各个方向的温度是有差异的,NASA在1992年的COBE卫星上发现了这个事实,并由2001年发射的WMAP卫星实际测量到相关数据。就此,我们可以有信心的确定,暴涨曾经真的发生过。(预言是无法一次性完成的,必须在预言后,对一些可观测信息进行观察,以确定预言的准确性,或者及时修正可用于预言的理论,使它更好地为我们服务。)
物理学家们如此肯定宇宙背景微波的温度微小差异作为暴涨发生的证据是因为暴涨是近乎完美一致的宇宙背景微波温度的一个重要概念。就像你加热一个物体,最开始的时候,物体最靠近热源的物体最热,离热源远的冷些,然后移开热源,过段时间后,物体的热度慢慢会均匀一致。(由小见大,以最常见的物理现象,去思维更大更广的物理理论,这或许是发现可预言理论的方法之一。这里面可能还有关于自然哲学的东西,就是我们地球,包括我们是宇宙的一部分,在整个宇宙中,自然科学家们相信宇宙是有规律的,这些规律可以被人发现,那么地球上的一些简单的热量传递和扩散规律,在宇宙本身中也是存在的,且大致是相同的,观测正好有将这一自然哲学的信仰加深了一些。)暴涨如果不曾发生,那宇宙就不会有机会让微波背景辐射的温度差异很小。
暴涨理论解释了大爆炸理论,而且在感觉上比基于广义相对论的传统大爆炸理论更加极端。问题在于,如果要采用宇宙暴涨理论,我们的宇宙理论模型不得不设定一个非常特别而又很不可能的初始状态。因此传统的暴涨理论解决了一系列的问题同时又带来一个特别的初始状态的宇宙。这个时间为零的问题被宇宙创造理论消除了,我们将会讲到这个。(看来每个模型都有优缺点啊!~主要是:如果缺陷能够克服的话,那么这个模型仍然是不错的模型.)
                                                                                       By:超级思维
泽贤:
    你书写的读书笔记,以及想法我已经看完了。写得极为不错,尤其是一些你自己的想法的书写。当然,也从这文章中看出你对作者的尊重和敬仰(对版权注明,并在陈述一个观点时先点作者。),你具有古代圣人的儒雅!同时,也看出你对一些古典的神话,哲理,历史等有了一定的积累,这是我拍马也赶不上的,真可谓是当代才子啊!
    我在阅读中有些是用红色的字打出来的,那是我的读书笔记,绿色的是我觉的写得特别好,对我的探究有好处的,请在看后给我些建议!!
    我通过阅读你书写的这些材料,大致在脑子里产生出了这样的关于探究寻找可用来预言和运用的理论的法子了:
(1):对所从事的是进行从历史发展到如今,现今的状态,得出写规律;
(2):用得出的规律进行一个时间距离较近的(2个月或3个月)预言,验证准确性;
(3):若前两条满足,就先用它来预测和做好从事的事,若不满足准确性,就结合这次预言,进行分析,修正或重新提出理论;
(4):若修正或提出的理论仍不能满足预言和应用的目的,重复(3),并多看书寻找灵感,借助于奇迹的诞生方式来使得它再进一步。
    我的法子或许有些粗陋,且有还未经实践的不完整的缺陷,但我相信我也能构造出一些模型来解释我所做的,并且能够用来预言,而不是简单的思维幻觉。
        共勉,
        兄弟:彦清
                                                            时间:2015年4月26日
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