霍金的宇宙

2012-09-22 02:46:46劉巖

飛碟探索 2012年5期

■劉巖

霍金被認(rèn)為是當(dāng)代最杰出的理論物理學(xué)家，他撰寫的科普著作《時(shí)間簡史》創(chuàng)造了科普書籍發(fā)行的世界紀(jì)錄。

從20世紀(jì)60年代起，霍金就致力于把20世紀(jì)物理學(xué)的兩大奠基理論——量子理論和相對論——整合到一起，從而為新物理學(xué)找到入口。但是，量子理論和相對論是否可以走到一起呢？霍金也難以判定。在20世紀(jì)90年代，霍金發(fā)出這樣的感嘆：量子理論和相對論是水和油一樣不相融的。

那么，真實(shí)的物理世界應(yīng)該是什么樣子的呢？要回答這個(gè)問題，必須分析量子理論和相對論的基礎(chǔ)。

量子理論的基礎(chǔ)

關(guān)于量子理論的基礎(chǔ)，在20世紀(jì)20年代之前，大多數(shù)古典式的物理學(xué)家（包括愛因斯坦）都持懷疑態(tài)度，原因主要來自光子的奇異性質(zhì)。試想，在雙縫實(shí)驗(yàn)中，大量光子可形成衍射圖案，這種圖案有著精確的、可量化描述的特征。但是，當(dāng)減少進(jìn)入雙縫的光子數(shù)目時(shí)，光子就在投影板上形成了隨機(jī)的、無規(guī)則的亂點(diǎn)，這對于認(rèn)為物理學(xué)是“決定論”的古典物理學(xué)是最沉重的打擊。所以，包括愛因斯坦在內(nèi)的大多數(shù)古典式物理學(xué)家都認(rèn)為，當(dāng)時(shí)的量子理論有缺陷，物理世界應(yīng)該是一個(gè)完全的“決定論”的世界，“因果論”在任何物理體系中都起作用。而將“概率”引入物理學(xué)正是量子理論的一大特征，是物理學(xué)的悲劇。

但同一時(shí)代的以丹麥物理學(xué)家玻爾為首的“哥本哈根”學(xué)派卻不這樣認(rèn)為。他們認(rèn)為，將“概率”引進(jìn)物理學(xué)并不奇怪，這就像當(dāng)年牛頓將微積分引入動力學(xué)世界一樣自然。

為此，到了20世紀(jì)30年代，愛因斯坦和玻爾之間爆發(fā)了幾場震動當(dāng)時(shí)整個(gè)歐洲物理學(xué)界的爭論。在當(dāng)時(shí)，誰也說服不了誰，但大多數(shù)新生派的物理學(xué)家，包括海森堡、德布羅意、薛定諤站在了玻爾一邊。

為了把“概率”解釋驅(qū)逐出量子理論，愛因斯坦設(shè)想出一個(gè)方案，那就是在量子理論的背后，也就是“概率”的背后，一定隱藏了一個(gè)尚未知的物理機(jī)制，決定了量子的“概率”特征。愛因斯坦還為這個(gè)尚未知的機(jī)制取了個(gè)名字，叫“隱變量”。同時(shí)，愛因斯坦又不失時(shí)機(jī)地挑戰(zhàn)玻爾，稱玻爾的量子理論的“概率解釋”，就如同給一個(gè)正在打盹的人送了一個(gè)軟枕頭，物理學(xué)將從此進(jìn)入睡眠狀態(tài)，“概率”就是什么也不知道。

面對愛因斯坦的此番言論，玻爾只好休兵，無言以對，同時(shí)也承認(rèn)了將“概率”引入物理學(xué)是權(quán)宜之計(jì)。但是關(guān)于“隱變量”之說，玻爾并不接受。

轉(zhuǎn)眼間，時(shí)間到了20世紀(jì)60年代。貝爾將愛因斯坦的“隱變量”理論模型化，提出了著名的“貝爾不等式”，用雙光子實(shí)驗(yàn)就可以驗(yàn)證這個(gè)不等式。一旦被驗(yàn)證，愛因斯坦和玻爾孰是孰非就可以有定論了。

到了20世紀(jì)80年代，光電子技術(shù)的進(jìn)步使得驗(yàn)證“貝爾不等式”成為可能。法國物理學(xué)家阿蘭·阿斯派首先做出了漂亮的實(shí)驗(yàn)，隨后著名女物理學(xué)家吳健雄領(lǐng)導(dǎo)的小組也跟進(jìn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣支持前者的結(jié)論。此后，又有幾個(gè)小組做了類似的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都是一致的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了玻爾的觀點(diǎn)，愛因斯坦的“隱變量理論”是錯(cuò)誤的。至此，人類才清楚知道，在量子世界中，不確定性是個(gè)普遍的規(guī)律。

既然將概率引進(jìn)物理學(xué)是一種必然選擇，那么，為什么在微觀世界中，自然界是受“概率”支配的？這方面的物理機(jī)制是什么？問題至今沒有答案。有人說，是人類的數(shù)學(xué)知識太貧乏，無法描述單個(gè)量子個(gè)體，如單個(gè)光子的運(yùn)動。又有人說，也許在微觀世界中，決定論本身就不存在。誰的觀點(diǎn)正確？至今仍是一團(tuán)迷霧。

拋開量子理論發(fā)展史上的這些爭論，將視線轉(zhuǎn)入量子理論自身，我們會發(fā)現(xiàn)，量子理論正如愛因斯坦所說的，意味著物理學(xué)的終結(jié)。任何學(xué)過概率論的人都知道，在概率世界中，只有大量宏觀元素的結(jié)果，而具體到個(gè)體，是未知的。這就如同你拋擲一個(gè)硬幣，雖然拋擲成千上萬次后你可以得出正反面出現(xiàn)的概率是1∶1的結(jié)果，但是，具體到每一次拋擲，你永遠(yuǎn)不會知道結(jié)果。

而量子理論的“概率”特征，也正是如此。從分析學(xué)的角度看，人類認(rèn)識自然界的方法就是無限分解。但在量子理論中，你卻無法實(shí)施，因?yàn)椋坏┠惴纸獾搅Ｗ拥膫€(gè)體，這個(gè)個(gè)體的行為你是一無所知的，而知道的僅僅是大量實(shí)現(xiàn)個(gè)體的整體情況，如干涉、衍射等等。

因此，從物理學(xué)認(rèn)識論的角度看，愛因斯坦似乎比玻爾看得更遠(yuǎn)。愛因斯坦的擔(dān)心是縱觀物理學(xué)發(fā)展的一個(gè)深層次的問題，而玻爾的一時(shí)勝利僅僅是技術(shù)上的勝利，只是猜對了當(dāng)前量子理論的特征——“概率”——是不可缺少的單元，但是，“概率”之后的物理學(xué)應(yīng)該是什么，玻爾卻無法回答。所以，玻爾對量子理論的所謂“哥本哈根”解釋，也是一種萬般無奈的折中。

相對論的基礎(chǔ)

當(dāng)代物理學(xué)家一直認(rèn)為相對論的基礎(chǔ)是最牢固的，因?yàn)樗墙⒃诎踩摹耙蚬摗被A(chǔ)上的動力學(xué)理論，而動力學(xué)又是人類最早認(rèn)識和發(fā)展最完善的理論。但是，這種樂觀實(shí)際上也是危機(jī)四伏的。

相對論給人的最大印象是所有的宏觀物體的運(yùn)動速度不會超過光速。而光速只有30萬千米/秒，試想其他星球的高智慧生命會用如此速度造訪地球？所以，從這個(gè)質(zhì)疑出發(fā)，相對論的基礎(chǔ)就大打折扣了。如果說量子理論將“概率”，也就是愛因斯坦痛恨的“不可知論”引入了物理學(xué)，那么，相對論就是將運(yùn)動速度不會超過光速的枷鎖強(qiáng)加于運(yùn)動學(xué)。

其實(shí)，早在20世紀(jì)30年代，在天文觀測中人們就發(fā)現(xiàn)一些遙遠(yuǎn)星系的運(yùn)動可能超過光速。到了60年代，已有確鑿的證據(jù)顯示，在宇宙的邊緣地帶，大多數(shù)星系的運(yùn)行速度是超光速的，僅僅依靠它們的紅移就可以輕而易舉地計(jì)算出來。而最近，歐洲核子研究中心又爆出中微子的運(yùn)動速度超過光速的消息。這些新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對相對論而言都是極具挑戰(zhàn)的。

時(shí)至今日，物理學(xué)家并沒有任何修改相對論的念頭，相反，還是在維護(hù)相對論至高無上的地位。這是很危險(xiǎn)的惰性思維，就如同當(dāng)年玻爾茲曼為了維護(hù)經(jīng)典力學(xué)而拒絕承認(rèn)量子理論一樣。

在相對論一路高歌猛進(jìn)的20世紀(jì)30年代，就開始有人質(zhì)疑相對論的權(quán)威性。時(shí)至今日，仍然有人質(zhì)疑這一理論。如有學(xué)者建議將光速不變的概念改寫，修改成在一個(gè)閉合的運(yùn)動區(qū)間內(nèi)，光速不變對應(yīng)一個(gè)路徑積分等等。綜觀這些質(zhì)疑和修改，幾乎還都是在相對論自身的理論框架內(nèi)打轉(zhuǎn)，沒有涉及相對論自身的脆弱之處。

相對論最大的不足就像瑞士學(xué)者在20世紀(jì)30年代質(zhì)疑的那樣，是用牛頓的經(jīng)典動力學(xué)理論重新表述運(yùn)動學(xué)，確切地講是“電動力學(xué)”。其實(shí)愛因斯坦在1905年發(fā)表的關(guān)于狹義相對論的原始論文的題目本身就講得很清楚，他的論文的目的是建立一個(gè)“運(yùn)動物體的電動力學(xué)”，說白了，就是協(xié)調(diào)麥克斯韋的電磁理論和牛頓運(yùn)動定律之間的不協(xié)調(diào)、不對稱?，F(xiàn)在，許多物理學(xué)家已認(rèn)識到，相對論的不足在于它的基礎(chǔ)，也就是保留牛頓力學(xué)運(yùn)動學(xué)規(guī)律。這是相對論最致命的缺陷。

其實(shí)，在麥克斯韋的電磁理論建立之后，電動力學(xué)完全可以嘗試放棄牛頓運(yùn)動學(xué)理論，將運(yùn)動學(xué)直接建立在電磁理論的基礎(chǔ)上。據(jù)說，當(dāng)時(shí)已近晚年的麥克斯韋曾嘗試做過，但是，不知是什么原因使他最終放棄了。實(shí)際上愛因斯坦在1905年的工作并不是麥克斯韋工作的延續(xù)，而是一種“倒退”。用牛頓理論變換電動力學(xué)看似走了捷徑，但是，最終的代價(jià)是“運(yùn)動不能超光速”。