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第十六章 宇宙是「免費午餐」嗎?

從無中不可能創造出任何東西來。

盧克萊修

現在,我們可以把所有的研究線索聚攏到一起,為宇宙創製一套說明,以顯示新物理學在多麼令人驚訝的範圍裡解釋了物質世界。我這並不是說,應當把我們要創製的說明當真(儘管物理學家們正在認真地討論它)。然而,這套說明的確顯示了現代物理學所提出的那一種思想。我們若想尋找上帝,就不能忽視這一類的思想。

在本書的前言裡,我曾提出我所說的有關存在的四大基本問題:「為什麼大自然的規律是現今這樣的?為什麼宇宙是由組成它的各件東西組成的?這些東西是如何起始的?宇宙如何獲得了組織?」

為了解答這四大問題,新物理學走過了漫長的道路。我們逆著這四大問題的順序,討論了假如有負熵輸入,起始的混沌狀態如何能演進為較為有序的狀態。我們也討論了宇宙的膨脹如何能夠生出負熵,因而也就不必像早些時代的科學家們那樣,設定宇宙創生於具有高度組織、特殊排列的狀態。宇宙現今的組織是與那個偶然起始於隨機狀態的宇宙不矛盾的。

在前面的幾章裡,我們詳細地討論了物質的起源問題。現已知道,恆星和行星之類的物體形成於原初氣體,而宇宙物質本身則是在大爆炸中創生的。最近在粒子物理方面的發現,顯現了宇宙引力場能夠存空洞無物的空間裡創造物質的一些機制。於是,未解之謎只剩下了時空本身的起源。但是,有些跡象表明,空間和時間可以自發地產生而且不違反物理定律。之所以會有這種奇特的可能性,其原因涉及量子論。

我們說過,在亞核世界中量子因素准許沒有原因的事件發生。例如,粒子可以在沒有原因的情況下不知從什麼地方冒出來。當量子論推廣到引力時,就涉及時空本身的行為了。儘管現在還沒有令人滿意的量子引力理論,然而物理學家們對很多會被納入這樣一個理論的普遍現象有了相當的認識。例如,量子引力理論會把量子物質所特有的那種模糊的不可預測性賦予空間和時間。尤其應當注意的是,量子引力理論准許時空自發地、沒有原因地創生和毀滅,就如同粒子自發地、沒有原因地創生和毀滅一樣。這一理論會包含著某種數學或然性,即一小塊空間會從原先沒有任何空間的地方出現。因而,沒有原因的量子躍遷會使時空從無中突然產生出來。

通常,量子機制使時空突然出現的情況一般只發生在超微觀尺度上,因為量子作用通常只適用於微觀現象。實際上,自發產生的空間可能只有10-33厘米大小。然而,這樣小的有限空間不必有邊緣,它可以是像第二章裡所說的那樣,是被關閉在超圓體之中的。很可能,這種微型宇宙會隨著另一個相反的量子起伏而迅速消失。不過,也存在一種可能性,就是它非但沒消失,反而像一個氣球一樣突然膨脹起來。

這種突然膨脹的行為,起源於其他的量子過程。這些過程與引力無關,卻跟大自然其他的基本力有關。在第十三章裡,我曾簡短地描述了所謂的「暴漲宇宙」。其中我說,「大統一力」使初生的宇宙變得不穩定,從而使宇宙進入失控的指數膨脹的階段。這樣,量子微觀世界就可能在不到1秒的時間裡膨脹到宇宙的規模。積聚在這場大爆炸中的能量,就會隨著暴漲階段的突然結束而轉化為物質和輻射,然後,宇宙就會像我們按常規所想的那樣一路演化下來。

按這種不同尋常的宇宙創生理論來看,整個宇宙完全是從無中生出來的,其創生過程完全符合量子物理的定律。這樣的宇宙在其成長過程中創造了一切物質、一切能量,從而建成了我們現在所看到的宇宙。這樣,這種理論便說明了一切物理性的東西(包括時間和空間)的創生。這種量子時空模型並不規定一個不可知的奇點來給宇宙開頭(見第二章),而是試圖完全在物理定律的框架之內解釋一切。這可是個讓人敬畏的理論。我們習慣上都是認為「有失才有得」,還從沒聽說過能從無中得到什麼東西。然而,量子物理卻不當回事地從無中產生出一些東西來。量子引力表明,我們可以從無中獲得一切。物理學家艾倫·古斯在討論這一理論時說:「人們常說沒有免費午餐這回事。然而,宇宙就是免費午餐。」1

這種從無中生出的宇宙還需要上帝嗎?在第三章裡,我們說過傳統上的上帝存在的宇宙學論證如何要先設定一切事物都必有一個原因。量子物理學駁倒了這種設定。但是四大問題還剩下兩個,即為什麼宇宙會有今天的東西?為什麼宇宙有今天的規律?科學能提供這兩個問題的答案嗎?

在第十一章裡我們說過,所謂的超引力理論的目標,就是要提供一種數學描述方法,來描述大自然的一切力和物質的一切基本粒子。假如這一理論被證明能夠成立,就可以把上面所說的那兩個問題縮減成一個,組成世界的東西(質子、中子、介子、電子等)就可以在超引力理論的框架之內得到解釋。現在的物理定律則與超引力理論不同。一般說來,有了電子或質子,我們就知道電子或質子會有什麼行為,但我們卻不知道為什麼會有電子或質子存在,而不是有性質不同的其他粒子存在。假如超引力理論完全成功,那麼,它就會不僅告訴我們為什麼有各種粒子存在,而且能說明為什麼各種粒子具有它們現有的質量、電荷以及其他的性質。

整個超引力理論要以一個宏偉的數學理論為基礎,以使物理學的一切分支(還原論意義上的)都包括在一個超定律中。但是,我們最後仍是有一個問題:為什麼會有那個超定律?

這樣,我們就碰上了有關存在的最終問題。物理學或許能夠解釋物質宇宙的內容、起源和組織,但卻不能解釋物理學本身的定律(或超定律)。按照傳統看來,是上帝發明了大自然的所有定律,並創造了由這些定律所管轄的萬物(時空、原子、人,等等)。「免費午餐」理論認為,只要有了各種定律,宇宙就會自己照管自己了,包括照管它自己的創生。

但是,定律又是從哪裡來的呢?必須得先有規律,宇宙才能降生。必須得先有量子物理(從某種意義上說),量子躍遷才能產生出宇宙來。很多科學家認為,為什麼物理定律是現在這樣的,這個問題是無意義的,或者說,這個問題至少是不能給以科學的解答的。其他的科學家則持有「人存」觀點,認為物理定律必須是現今這樣的,否則就不會有觀察者存在。但是,還有一種可能性。物理定律(或是最終的超定律)或許將顯現出來,成為邏輯上唯一可能的物理原理。這就是我們要在最後一章裡討論的。