人文科普:物理如何證明上帝的存在?
來源:利維坦
發(fā)布時間:2021-04-07
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既然是(宇宙)規(guī)則的創(chuàng)立者,那么創(chuàng)立者可以超越自己設(shè)定的規(guī)則嗎?一個不可知論者對于這個問題的回答估計是簡單明了的:不論這個“上帝”是宗教意義上的,還是為了表述一種科學(xué)無法解釋的“超自然力量”,我都無法回答——即沒有答案就是答案本身?!拔以谝淮窝杏憰下牭较旅孢@個問題——當(dāng)時我還相信上帝(現(xiàn)在我是無神論者)——這個問題最初是由愛因斯坦提出的,它的優(yōu)雅和深刻令我震驚:“如果存在這樣一位上帝,他創(chuàng)造了整個宇宙及其所有的物理法則,那么上帝是否遵循上帝自己的法則?還是說,上帝可以取代他自己的法則,比如超越光速,從而能夠同時存在于兩個不同的地方?”這個問題的答案能否幫助我們證明上帝是否存在,還是說,這是科學(xué)經(jīng)驗主義和宗教信仰交叉之處,因而沒有真正的答案?”

——大衛(wèi)·弗羅斯特(David Frost),67歲,洛杉磯。

當(dāng)我收到這個問題的時候,我正因疫情封鎖措施待在家中,因此立刻被它激起了興趣。這也難怪,畢竟時機恰好——諸如大流行病之類的悲劇事件經(jīng)常讓我們質(zhì)疑上帝的存在:如果真有一位仁慈的上帝,為什么會發(fā)生這樣的災(zāi)難?上帝可能被物理定律“束縛”的這種想法——物理定律也支配著化學(xué)和生物學(xué),因此也決定了醫(yī)學(xué)的邊界——是一個值得探索的有趣觀點。

如果上帝不能打破物理定律,祂可能就不會像你想象的那樣,有如絕對存在一樣強大。但是如果祂做得到的話,為什么我們還沒有看到任何證據(jù)表明,宇宙中曾有物理定律被打破過呢?

為了解決這個問題,讓我們把它分解一下。首先,上帝能比光速更快嗎?我們只從問題的表面含義來回答。光的傳播速度大約為每秒3×105公里,即每秒186,000英里(299,500公里/秒)。我們在學(xué)校里學(xué)過,沒有什么能比光速更快——即使是《星際迷航》(Star Trek)中的聯(lián)邦星艦企業(yè)號(USS Enterprise),當(dāng)它的二鋰礦結(jié)晶引擎(dilithium)被調(diào)到最大值時也不行。

但這是真的嗎?

數(shù)年前,一群物理學(xué)家構(gòu)想了一種被稱為快子(tachyon)的粒子,它以超光速運動。幸運的是,人們認(rèn)為這種粒子不太可能真實存在。如果它們確實存在,那么它們將擁有一個虛質(zhì)量(譯者注:imaginary mass,即靜止質(zhì)量必須為虛數(shù)),空間和時間的結(jié)構(gòu)將被扭曲——這會導(dǎo)致因果關(guān)系的違背(并且很可能會讓上帝頭疼)。

到目前為止,似乎還沒有發(fā)現(xiàn)任何物體的速度能夠超過光速。這本身并不能說明任何與上帝有關(guān)的事。它只是進一步證實了“光的傳播速度確實很快”這一知識。

如果上帝存在,一個問題就在于,祂是否會受到物理學(xué)等科學(xué)定律的約束。? Alamy

當(dāng)你開始考慮光從萬物伊始至今傳播了多遠時,事情就變得有趣些了。假設(shè)宇宙符合傳統(tǒng)的大爆炸模型,并假設(shè)光速為3x105公里/秒,那么我們就可以計算出,在宇宙存在的138億年中,光傳播了大約1.3x1023公里。或者更確切地說,在宇宙之存在的可觀測的部分里,光傳播了那么遠。

宇宙以大約每兆秒差距70公里/秒的速度膨脹(1 Mpc/Megaparsec=1兆秒差距,大約為3000萬公里),因此目前的估計表明,到宇宙邊緣的距離是460億光年。隨著時間的推移,宇宙的體積不斷增加,光必須傳播更長的時間才能到達我們這里。

宇宙比我們能看到的要大得多,但是我們目前能看到的最遙遠的天體是由哈勃太空望遠鏡觀測到的GN-z11星系。它大約位于1.2x1023公里或134億光年之外,這意味著從該星系發(fā)出的光到達地球用了134億年。但是在光線“出發(fā)”時,這個星系距離我們的銀河系只有大約30億光年。

GN-z11是一個在大熊座發(fā)現(xiàn)的高紅移星系,為目前可觀測宇宙中最古老、最遙遠的已知星系。? wikipedia

我們無法觀測或看清自大爆炸以來擴張建立的整個宇宙,因為要讓光從世界伊始的幾分之一秒到達我們這里,流逝過的時間還不足夠。一些人認(rèn)為,我們因此無法確定物理定律是否可以在其他宇宙區(qū)域被打破——也許它們只是局部的、偶然的定律。這就把我們引向了一個比宇宙還要大的東西。

多元宇宙

許多宇宙學(xué)家認(rèn)為,宇宙(Universe)可能是一個更廣闊的宇宙系(cosmos)、一個多元宇宙(multiverse)的一部分,在那里有許多不同的宇宙共存,但不相互作用。多元宇宙的觀點是基于宇宙暴脹理論(the theory of inflation)的——暴脹理論認(rèn)為宇宙在大爆炸后的10-32秒之前曾急速暴脹。暴脹理論是一個重要的理論,因為它可以解釋為什么宇宙具有我們所看到的形狀和結(jié)構(gòu)。

但是,假如膨脹能夠發(fā)生一次,為什么不能發(fā)生很多次呢?我們從實驗中知道,量子漲落可以產(chǎn)生成對的粒子,它們突然出現(xiàn),但片刻后就消失。如果這種漲落能夠產(chǎn)生粒子,為什么不能產(chǎn)生整個原子或宇宙呢?有人認(rèn)為,在混沌暴脹期間,一切并非都以同樣的速率發(fā)生——暴脹期間的量子漲落可能產(chǎn)生了氣泡,而這些氣泡各自爆炸形成了宇宙。

但是在多元宇宙中,上帝的位置在哪里呢?令宇宙學(xué)家頭疼的一個事實是,我們的宇宙似乎已經(jīng)微調(diào)到了適合生命存在的狀態(tài)。宇宙大爆炸產(chǎn)生的基本粒子具有能夠形成氫和氘的合適性質(zhì)——而這些物質(zhì)構(gòu)成了第一批恒星。

在這些恒星中,控制核反應(yīng)的物理定律隨即生成了構(gòu)成生命的物質(zhì)——碳、氮和氧。為什么宇宙中所有的物理定律和參數(shù)具有的數(shù)值都恰好能令恒星、行星,以及——最終——生命形成?

有人認(rèn)為這只是一個幸運的巧合。其他人說,我們不應(yīng)為“生物友好”的物理定律感到驚訝——畢竟是它們產(chǎn)生了我們,那么我們還能看到什么呢?然而,一些有神論者認(rèn)為,這表明存在一位為生物創(chuàng)造了有利條件的上帝。

但上帝并不是一個合理的科學(xué)解釋。相反,多元宇宙理論解決了這個謎團,因為它允許不同的宇宙有不同的物理定律。所以,我們碰巧在少數(shù)幾個能夠支持生命存在的宇宙中發(fā)現(xiàn)了我們自己,這并不奇怪。當(dāng)然,你無法反駁多元宇宙可能是由上帝創(chuàng)造的觀點。

如果兩個粒子糾纏在一起,當(dāng)你操縱其中一個粒子時,你也在自動操縱它的關(guān)聯(lián)粒子。這一切都是高度假設(shè)的,而對多元宇宙理論最大的批評之一在于,因為我們的宇宙似乎和其他宇宙之間沒有相互作用,所以多元宇宙的概念不能得到直接的檢驗。

量子怪誕性(Quantum weirdness)

現(xiàn)在,讓我們考慮一下上帝是否可以同時出現(xiàn)在多個地方。我們在空間科學(xué)中使用的大部分科學(xué)技術(shù)都是基于反直覺的原子和粒子的微觀世界理論,這一理論被稱為量子力學(xué)。

這一理論支持一種叫做量子糾纏的現(xiàn)象:鬼魅般地相連的粒子。如果兩個粒子處于糾纏狀態(tài),當(dāng)你操縱其中一個粒子時,你也在自動操縱它的關(guān)聯(lián)粒子,即使它們相距很遠,也沒有在相互作用。對于量子糾纏的描述,有其他版本比我在這里給出的更好——但是這一版表述很簡單,足以讓我理解。

想象一個粒子衰變成兩個亞粒子A和B。亞粒子的性質(zhì)疊加后必須與原粒子的性質(zhì)等同——這就是守恒定律。例如,所有的粒子都有一個叫做“自旋”的量子性質(zhì)——大致而言,它們就像是小小的羅盤磁針一樣運動。如果原始粒子的“自旋”為零,那么兩個亞粒子中的一個必須自旋為正,另一個必須自旋為負(fù),這意味著A和B中的每一個都有50%的機會具有正自旋或負(fù)自旋。(根據(jù)量子力學(xué)的理論和定義,在你真正測定粒子之前,粒子處于不同狀態(tài)的混合態(tài)。)

愛因斯坦將量子糾纏描述為“鬼魅般的超距作用”。? Getty Images即使A和B位于不同行星上的不同實驗室中,它們的性質(zhì)也不是彼此獨立的——它們是糾纏在一起的。假如你測量A的自旋,發(fā)現(xiàn)它是正的,那么想象一下,一個朋友恰好在你測量A時測量了B的自旋。為了使守恒定律成立,她必然會發(fā)現(xiàn)B的自旋是負(fù)的。

但是——這就是事情變得模糊的地方——和亞粒子A一樣,B有一半的概率是正自旋,所以當(dāng)A的自旋態(tài)被測定為正時,它的自旋態(tài)“變成了”負(fù)的。換句話說,關(guān)于自旋態(tài)的信息在兩個亞粒子之間瞬間傳遞。這種量子信息的傳遞速度明顯快于光速。鑒于愛因斯坦本人都將量子糾纏描述為“鬼魅般的超距作用”,我認(rèn)為就算我們所有人都覺得這是一種相當(dāng)奇異的效應(yīng),也是有情可原的。

因此,畢竟還是有一種東西比光速更快:量子信息。這并不能證明或反駁上帝的存在,但是它可以幫助我們從物理的角度來認(rèn)識上帝——上帝也許是一團糾纏的粒子,來回傳遞量子信息,并因此同時存在于許多地方?甚至同時存在于多個宇宙?

科學(xué)需要證據(jù),宗教信仰需要信念

我腦海中有這樣一幅畫面:上帝轉(zhuǎn)著星系大小的盤子,同時拋接著行星大小的球——將信息從一個晃晃悠悠的宇宙扔到另一個中,以保持一切運轉(zhuǎn)。幸運的是,上帝可以同時操作多項任務(wù)——保持時間和空間的結(jié)構(gòu)不停運作。你所需要的只是一點點信念(faith)。

這篇文章是否已經(jīng)接近于回答開篇提出的問題?我想沒有:如果你像我一樣相信上帝,那么上帝被物理定律束縛的想法就是胡說八道,因為上帝可以做任何事情,甚至比光行得更快。如果你不相信上帝,那么這個問題同樣是荒謬的,因為不存在上帝,也不存在什么事物能比光速更快。也許這個問題實際上該交給不可知論者回答,他們不清楚上帝是否存在。

上帝是否一邊在拋接行星大小的球時,一邊旋轉(zhuǎn)銀河系大小的盤子?? 美國國家航空航天局

這的確是科學(xué)和宗教的不同之處。科學(xué)需要證據(jù),而宗教信仰需要信念??茖W(xué)家們并不試圖證明或反駁上帝的存在,因為他們知道沒有任何一個實驗?zāi)軌蛱綔y到上帝。而且,如果你相信上帝,那么科學(xué)家對宇宙的發(fā)現(xiàn)就無關(guān)緊要了——任何宇宙都可以被認(rèn)為是與上帝一致的。

我們對上帝、物理或其他事物的看法最終取決于我們的視角。但是,讓我們從一個真正權(quán)威的來源引用一句話來收尾。不,不是《圣經(jīng)》。也不是哪本宇宙學(xué)教科書。這句話來自特里·普拉切特(Terry Pratchett,英國奇幻文學(xué)作家)的《靈魂收割者》(Reaper Man):

“光覺得它跑得比任何事物都快,可它錯了。無論它跑得多快,黑暗總是先它一步到達,并且等待著它的光臨。”

文/Monica Grady

譯/苦山


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