对时间、宇宙、科学和哲学的思考——《时间简史》

2016.09.30 23:07:12 Friday 232 views

《时间简史》,以前在大学里读的时候,囫囵吞枣,不求甚解。这次重读,倒是惊喜地读出了些科普之外的东西来。

这本书的定位,是科学的基础入门级读物,没有学术性的演绎和推理,也没有公式和方程。书中使用了大量日常生活的类比,解释学术名词和最基本的概念常识。可以看出,霍金为了使这本科普读物通俗易懂,为普通读者们费了很大的心思。

我们为什么要学习科学?为什么要看科幻小说?有一种说法:仰望星空,是人类进步的源动力。换言之,人类社会的认知能力、科技水平的提高,乃至整体物种的进化,需要通过对未知的宇宙的探索来实现。

对我们读者来说,阅读科学作品的意义,上升不到全人类这样的高度,但至少,可以让我们意识到自己的浅薄,以便收起我们的傲慢。正如大刘在《三体》里的那句名言:“弱小和无知不是生存的障碍,傲慢才是。”

1、时间

众所周知,相对论改变了时间的绝对性。时间的流逝速度不再是一把恒定的标尺,每个人都有属于自己的时钟。广义相对论预言,时间会受到质量的影响,比如在地球这样的大质量物体附近,时间会流逝得慢一些,因为光能量和频率的关系是:能量越大,则频率越高。因此,我们在买房时如果选择一楼的话,可能会比顶楼的邻居活得更“久”那么一点点。

同时,时间和空间组成的时空并不只是静止的背景图,时空中的物体运动时,会影响时间和空间的曲率;而时空的结构,又会反过来影响物体运动的方式。

本书中对于时间这个话题最有趣的讨论,要数“时间箭头”。

时间一直向“前”流逝,是我们生活的惯性。可是为什么时间的方向一直是向“前”的?是否存在时间向“后”的可能性?

刘慈欣写过一则短篇:《坍缩》。背景设定:宇宙目前正在进行的膨胀,是有极限的。当越过那个极限点,引力大于斥力时,宇宙开始收缩。同时,时间开始“反向”流逝,人们会从坟墓里爬过来,由老年状态开始一生,一直“成长”为婴儿,回到娘胎中结束自己的一生。

当时并不太理解,为什么当宇宙开始收缩时,时间也会转向,时间不应该是一直往前的吗?时间的方向怎么会由宇宙的膨胀或收缩来决定呢?

霍金在这本书里很好地回答了我的问题。如果把时间的方向称为“时间箭头”,一共有三种,一是热力学时间箭头,在这个时间方向上,无序度(熵)增加;二是心理学时间箭头,是人类感觉到的时间流逝的方向;三是宇宙学时间箭头,在这个时间方向上宇宙在膨胀,而不是收缩。

首先,霍金论证了:心理学时间箭头,是由热力学时间箭头决定的。也就是说,我们所感知的时间的“前”方,是一个“越来越混乱”的世界。比如杯子砸到地上碎了,买的新衣服越穿越旧了,吃进肚子的食物变成屎了……所以当你发现你的生活变得一团糟时,不要沮丧失望,其实这就是宇宙所设定的时间的方向——更糟的还在后面呢。

再来,为什么宇宙学时间方向也相同呢?如果宇宙的膨胀有终点,那势必宇宙会有开始收缩的那一天。彼时的时间箭头将反向。对此,霍金的解释是,宇宙并非像相对论所预示的那样,有开端和终结的奇点。“时间和空间可能会共同形成一个在尺度上有限却没有任何边界或边缘的面”,在这样的无边界条件下,即使宇宙开始收缩,其无序度也会继续增加,因此,热力学和心理学时间箭头不会反向。

从人自身的角度出发,以前以为智慧型生物,作为“低熵者”,让混乱变得有序,是熵减的。霍金告诉我们,人类为了生存下去,把食物转化为热量这个过程,本身就是熵增的。其它那些让世界变得有序的事情,从无序到有序的熵减,小于在其过程中消耗的能量增加的无序度所导致的熵增。因此,智慧生物只能生存在熵增方向的时间箭头里,所以我们观察到热力学和宇宙学的时间箭头是一致的。

脑子转的快的读者可能意识到了,以上这段的逻辑,相当于“因为人类只能在这样的宇宙中生存,所以宇宙是这个样子的。”人类存在竟然成了宇宙现状的前提?天啊,多自大的人,才敢说出这样的话?

当我读到“人存原理”时,第一感正是如此。我几乎不敢相信,这是顶尖科学家霍金所表达的观点。

2、宇宙

“人存原理”不仅用来解释时间箭头,还被用来解释整个宇宙:

“为何宇宙是我们看到的这种样子?”答案很简单:如果它不是这个样子,我们就不会在这里!

宇宙为什么在膨胀?宇宙为什么往任何方向看都是一样的?宇宙为什么会以大爆炸的形式开始?甚至,宇宙为什么存在?这些问题,竟然连科学家都会用“人存理论”来野蛮粗暴地回答。

不仅如此,在讨论宇宙的起源时,“上帝”也是一个绕不过去的词。

比如,假设大爆炸模型是正确的,则需要仔细选择宇宙的初始态。所以,除非上帝有意创造我们这样的智慧生物,否则很难解释,为何宇宙只用这种方式开始。

比如,如果上帝使宇宙以这种不能理解的方式开始,为何上帝又选择让它按照可以被我们理解的定律去演化?

再比如,科学定律并没有告诉我们,宇宙在爆炸的那个点到底发生了什么,上帝依然需要承担卷紧发条的职责,并选择如何去启动这个模式——只要宇宙存在一个开端,我们就需要设想存在一个上帝。

牛顿晚年时,信奉上帝,很多人无法理解,为什么代表先进理念和技术的科学家,会和落后愚昧的宗教扯上关系。其实,无法理解的人们,并没有意识到,科学研究到了深处时的发现或障碍,反而让科学家们不得不相信上帝存在的可能性。

霍金在支持大爆炸理论之后,又推翻了这个观点。在他看来,宇宙有一种新的可能的行为,即在前文中已经提到过的:时空有可能在范围上是有限的,却没有形成边界或边缘的奇点。就像地球一样,没有边界,也没有边缘。因此,宇宙并不一定有开端和终结的奇点。这样的话,脱离了开端和终结宇宙,其存在就是存在本身。宇宙的存在,似乎就可以脱离上帝的设定。当真如此吗?霍金并没有给出答案。

3、科学的局限性

科学的目的是什么?科学的终极目的,是提供描述整个宇宙的单一的理论。

科学理论是什么?霍金的观点非常朴素:

“理论只不过是宇宙或它的受限制的部分的模型,以及一套把这模型中的量和我们做的观测相联系的规则。它只存在于我们的头脑中,不再具有任何其他(不管在任何意义上)的实在性。”

总结来说,科学的两大特征,是和我们平时的常识相悖的。

一是“可证伪”。意思是,任何物理理论都是临时性的,是永远不可能被证明的。不管过去多少次的实验结果和某个理论相一致,也永远不可能断定下一次结果不会与它矛盾。只要找到一次和理论预言不一致的观测事实,就可以证伪。

二是“实用性”。我们都知道相对论推翻了牛顿理论,但由于牛顿理论和相对论的预言之间差异非常小,所以为了实用的目的,我们仍然实用牛顿理论。

我们从这两个特点中,可以看出科学并没有想象中那么高高在上。科学也不一定就具有“真相洁癖”。归根到底,科学理论只是一个“暂时没有被证伪的实用性理论”,而已。

但是,科学的局限性,并不代表着“不可知论”和“科学无用论”,民科更无须欢呼雀跃。科学在任何角度都不可能和民科这类旁门左道相提并论。

科学理论,必须能准确地描述大量的观测结果。并且,能对未来观测的结果作出明确的预言。如果理论在数学上是协调的,并总能给出与观察一直的预言,我们便可以适度地相信这个理论的正确性。这,便是科学和民科的本质区别。因此,人类的生活和进步,都离不开科学。

之所以连科学都无法成为纯粹的真理,局限性主要在两点,一是量子力学的不确定性,对预言能力的限制;二是在数学工具上,人类也仍未具备解出理论所需要的方程的能力。比如三体运动,看似如此简单的模型,都只能有特定解,要用方程描述宇宙中无数颗星球之间运动,何尝不是天方夜谭?

当霍金在书中提到“我们现在也许已经接近探索自然终极定律的尾声”时,我真心地感觉,这话说得太乐观了一点。

4、科学和哲学

除了绕不过的上帝外,我在阅读中的感受,是科学和哲学存在着千丝万缕的关系。

首先是人类求知的最深切的意愿,驱使着我们取思考这些问题:我们为何在此?我们从何而来?宇宙的本质是什么?我们在其中的位置如何?宇宙为何是这个样子?

这不仅是科学试图回答的问题,哲学和宗教也是如此。探索方式各不相同,目标却是殊途同归。

其次,量子力学的出现,在某种程度上,模糊了科学和哲学的界限。科学基于数学的推导和观测的验证,应用于对未来的预测。当量子力学把非预见性和随机性的不可避免因素引进科学后,不管是观测,还是预测,都受到了严重的影响。量子的观察者和坍缩态、薛定谔的猫、波粒二象性,在传统的科学理念中简直是不可想象的,类似于所谓“伪科学”的唯心主义。以波粒二象性为例,为了某些目的,需要将粒子考虑成波,才是有用的,而为了其它目的,则需要把波考虑成粒子——“严谨”的科学,怎么可以如此随意,类似儿戏?再比如,从量子理论和热力学定律推导出,粒子是可以从黑洞之外的“空虚”的空间中来的——“无中生有”,感觉是不是很神棍?

霍金是一个富有哲学思辨能力的科学家。他问到:

“如果真有一个完整的统一理论,则它大概也将决定我们的行动。这样,理论本身就决定了我们对之探索的结果!那么为什么它保证我们从证据得到正确的结论?难道它不也可以同样地保证我们引出错误的结论吗?或者根本没有结论?”

这样的问题,已经超越了科学的范畴,而不得不到哲学领域里来找答案了。

霍金在论证宇宙的“无边界”性时,引入了“虚时间”的概念,简单但不准确地说,是时间具有“虚数”的数值。在实时间里,宇宙具有开端和终结的奇点,而虚时间里,奇点不存在。因此霍金推论,很可能“虚时间”才是真正的更本质的时间的概念,而“实时间”反而是我们所臆造的,仅仅是为了让我们更容易描述宇宙的模样而已。

科学理论只不过是我们用以描述自己观察的数学模型:它只存在于我们的头脑中。所以去问诸如这样的问题是毫无意义的:“实的”或“虚的”时间,哪一种是实在的?这仅仅是哪一种描述更为有用的问题。

这和哲学中一直讨论的本质、本体的问题,在以观测为基础的科学中,同样找不到答案。

20 世纪以后,哲学的发展陷入了停滞的境界,甚至已经被宣布终结。而科学一骑绝尘,除了少数人之外,变得过于专业性和数学化。一边是研究的结果不断指向和哲学殊途同归的方向,一边是科学家和哲学家在身份上的泾渭分明。

康德曾说过:这世间有两样东西让我们越思考越是迷惑,一是我们头顶的星空,一是心中的道德律。

我预感,未来解开迷惑的希望,将会在那些同时具备数学能力和哲学思想的人类顶尖智者们身上。

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