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[转载]《大自然的常数》:从宇宙开端到时空的终点

(2017-08-31 08:04:42)
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分类: 读书笔记
《大自然的常数》:从宇宙开端到时空的终点

笔记/曾星智
 
  许多科学家曾探索过具有不同维数的空间和时间的宇宙的可能性。正如当我们考虑空间为其他维数和时间为一维的宇宙一样,我们可假设大自然的定律保持相同的数学形式,但容许空间和时间的维数可自然变动遍及一切可能性。包括了一切可能性的棋盘由于施加了少量合理的条件限制可能会急剧地减少这些可能性,而这些条件似乎很可能对信息处理、记忆,因而对“生命”的存在是必要的。如果我们要求由现在来决定未来,那么我们就要消除棋盘板上所有这些标着“不可预测的”区域。如果我们要有稳定的原子沿着围绕恒星的物体(行星)的稳定的轨道一起存在,那么我们必须删去标着“不稳定”的条块。
  把市场简单的看成上升和下降,是将市场的时间定为一个维度;同样,把选股局限于上市公司的角度,是将市场的空间定为一个维度。这是投资上最简单的思维,只有一个时间维度和一个空间维度。而事实上,时间可以分成超短期、短期、中期、长期和超长期等不同的维度,从每个维度去看,都是不同的情况;同样,空间也可以分成超小范围、小范围、中范围、大范围、超大范围等不同的维度,从每个维度去看,都是不同的情况。
  人们喜欢简单的一种时间维度和一种空间维度的思考,在这样的世界里,事物的变化非常简单。但是,现实世界却是复杂的,人类生活的世界可以感受到的是三维的空间和一维的时间,形成的一个四维的世界。但我们投资人在看市场和企业时,却可以用更多的维度去看它们。根据我们所站立的位置不同,可能会出现五个空间维度和五个时间维度,从每个维度去看都是不同的,而维度越多也就越复杂,但却越接近真实。

1、决定和调查的关系被倒置

  “物理学家要接受在作出决定之前进行调查的训练。律师、广告商和其他人则被训练成去做恰好相反的事:为证实已经作出的决定寻找资料。”——罗伯特.克里斯(R.P. Crease)

2、从复杂性、不可预测到“常数”

  “我们已经认识到混沌和不可预测性的简单奥秘,这些现象困扰着我们周围世界那么多的部分。我们能理解不断变化的气候,但不能预测它。我们已认识到出现在人类相互作用的系统——各种社会、经济、选择、生态系统——中的以及出现于人类思维本身之内的这样和那样的复杂性之间的相似性。
  “所有这些错综难解的复杂性奔腾而来,企图使人们相信这世界就像一部失控的环道滑车,摇摆滚动,上下颠簸;一旦被我们抓住的每件事物都是真实的,它有一天可能被废弃。
  “……然而有一种感觉,以为所有这种变化和不可预测性是一种幻觉。这并不是有关这个宇宙的本质的完整的实情。深层的实际结构存在着保守和进步两个方面。尽管在可见的世界中存在连续不断的变化和动力,但是在其不可动摇的不变性中,存在着神秘的宇宙结构方面的问题。正是这些神秘的不变的事物使我们的宇宙成为现在的宇宙,并区别于我们可能想像的其他世界。有一条金钱编织着整个大自然的连续性。它让我们预期在空间其他地方的某些事物会同在地球上的一模一样;预期在其他时间,它们曾经和将同现在一样;预期对某些事物来说,无论历史或地理都无关紧要。诚然,如果没有这种不变的现实的基础,或许可能就没有(表面)变化的潮流,或者根本就没有任何精神和物质的复杂性。”(P3)

  “我们的追求是发现它们是什么,而长期来我知道它们叫什么,它们就是大自然的常数。它们位于宇宙简单重复的根基上:为什么每个电子看来同其他电子一模一样。
  “大自然的常数将宇宙最深处的秘密编成编码。它们立刻表达出我们对宇宙的最深的认识和一大的无知。它们的存在教给我们这样一个深刻的真理,即大自然蕴藏着丰富的看不见的规则。然而,当人们变成精与测量这些常数物理量的数值时,我们却不能够去解释或预言它们的数值,这表明我们仍然多么需要探求宇宙内在的活动。
  “大自然常数的终极状况是什么?它们真的是不变的吗?它们是到处都相同的吗?它们全都彼此关联的吗?如果它们有微小的差别,生命能够进化和持续吗?”(P3-4)

3、大自然的三个常数

  “为了摆脱以人类为中心的偏见的束缚,斯托尼指望物理学的常数提供某种可能超越人类关于量的标准的东西。牛顿已经发现,引力服从一个明显普适的定律:中心相距某一距离的两个质量之间的力与两者中的任何一个的质量成正比,并与它们的中心之间的距离的平方成反比。比例的常数在宇宙的任何地方应是相同的。这个常数G给出引力的强度。与此有关的重要事情是据认为它是一个常数在任何地点做准确的测量时应得到相同的数值。此外,当我们用便利的以人类为中心的单位表示它时,这常数显示成一个奇怪的数值(G = 6.67259 x 10-10米3秒-2(千克)-1),这是因为这些单位是为以人类为中心的其他目的设计的。
  “斯托尼为其非人类中心的标准求助于第二个大自然的常数是光速c。这个量又超越人类的标准。它具有根本性的意义。事实上,光速甚至比斯托尼可能已经知晓的更具根本性的意义。爱因斯坦表明,真空中的光速应该作为宇宙中终极速度的极限——没有什么信息能比光传递得更快。人们还曾发现决定电学的不同单位的空间导磁率和电容率的乘积(的倒数)就是光速的平方,如此展示它的特殊的普适的地位,对于电学也是这样。对这两个常数的量,斯托尼添加了他自己的候选的第三个伟大的大自然常数——他的基本电子电荷,现在我们用符号e来表示。它是完成这拼图所需的最后部件。e同G和c一样以相同的方式满足需要。它被设想为是普适的。它与大自然的结构的某个基本方面相联系。而它并不在乎人类的方便。”(P19-20)

4、非人类中心,超哥白尼原理

  “伟大的波兰天文学家尼科劳斯.哥白尼的名字永远与放弃地球是一切事物的中心的假说这一举动联系在一起。对于哥白尼本人来说,地球是太阳系的中心这一保持了几千年的假设,成了关注的焦点。哥白尼构建了一幅行星绕太阳运动的图景,其中地球不再是中心。这个日心模型及时被证明在描述天文学家观察到的现象时有优越性,超过托勒密及其继承者的古代地心图景的说明力。
  “哥白尼摆脱以人类为中心的偏见之后几个世纪的影响,可以在人类研究的全过程中感觉到。我们开始认识到宇宙之中我们的位置决不是中心。事实上,从许多方面来讲,地球看来几乎是处在边缘的地带。
  “朝着不是明显地以人类为中心而是根据发现和确定的大自然的普遍特征建立大自然常数的方向前进,可以被看作是第二个哥白尼步骤。现在看来,宇宙的构造以及它的普适定律的关键结构是由真正超人类和地球之外的标准和不变量产生的。在大自然中,时间的基本标准与男人和女人的年龄并没有简单的关系,也不与我们的日历上规定的年、月、日的周期有联系,而是过于短暂,因而不允许有直接测量的任何可能性。
  “按哥白尼的观点的这种扩大延伸中还有第三个步骤有待采取。那就是要表明大自然的定律展示了哥白尼的观点。这是一件极其精妙的事,需要有爱因斯坦那样伟大洞察力将它挖掘出来。首先,它的意义是什么?
  “爱因斯坦论证说,大自然的定律在宇宙中的所有观察者看来似乎都应该是相同的,不管观察者在哪里或如何运动。如果它们不是相同的,那么将存在一些有优势的观察者,他们看到的大自然的定律比其他观察者所看到的更为简单。这种观点是反哥白尼的;它要给出某个(不一定是在地球上的我们)在宇宙中有特殊地位的人。”(P49-50)

  “人们稳步地摆脱关于世界的任何有偏好的观点,不管它是人类的观点,以地球为基础的观点,或基于人类标准的观点。它已经进入了几个阶段。首先,哥白尼的天文学革命提出了人类在宇宙中的地位的观点,以及优胜点的观点即我们在时间和空间中占据的地位并非是特别有利的。其次,我们已经看到了测量单位的建立和大自然常数的形成,它们并不反映人类的尺度或地球和太阳的局部的天体运动。相反它们是建立在超越人类尺度的普适的大自然常数基础上的。最后,我们已看到,爱因斯坦怎样认识到,大自然的定律本身必须按这样的方式表述:保证宇宙中的任何观察者,不管他们在什么地方或如何运动,应当发现有相同的定律。
  “这些步骤已使物理学和天文学非人性化,这是从这样的意义上讲,它们试图对任何地点的任何观察者都适用的原理作为惟一参照来对宇宙中的事物进行分类和加以理解。如果我们正确地鉴别那些常数和定律,那么它们就为我们提供独一无而的基础,我们靠它们知道如何开始与有异于我们本身的地外智慧进行对话。它们是栖居在我们宇宙中的每个人的终极的共享的经验。”(P52)
5、爱丁顿和一种先验的知识

  “爱丁顿是在这种局部的研究气氛中,探索大自然的新的法则和其最基本的粒子的行为的。爱丁顿开始着手制订一个工作计划。该计划引来了各种各样的反应,从尊敬佩服到公开嘲笑都有,均来自他的同行。他把他的研究称之为他的‘基本理论’,它是在寻求最基础的可能的物理学理论,这一理论有可能解释大自然的常数的数值。
  “爱丁顿相信纯粹的思维能够达到对物理世界的完备描述。比起今天在他那个年代,这是一个更加雄心勃勃的观念。以下是他的信条的一个简明表述:
  “‘我的结论是不仅大自然的定律,而且大自然的常数都可从认识论的考虑推导出来,所以我们对它们会有一种先验的知识。’
  “这就是这位理论家的终极宣言。爱丁顿相信靠纯粹思维应当可能推导出大自然的全部定律和常数,并预言宇宙中存在像恒星和银河这样的事物。他最喜欢的影像是云遮行星时天文学家拍的像片,它会导出在上面看不到的恒星的存在。当然,实验和观测使任务变得容易许多,但爱丁顿相信一切都是他们所为。没有他们,他的目标将更难达到,但不会到达不了。
  “爱丁顿的计划未能成功。他的书直至1944年他去世也未能完成。但在此前若干年里他发表了许多文章,并在他的几本普及性的著作里用了若干章节宣布他在了解大自然的常数值方面取得的巨大进展。他将自己的注意力集中在少数的大自然的常数上,先勾画其轮廓,并鼓励科学家们来解释它们,再设计能准确地阐明它们的数值的独特的数学推理的复杂链条。”(P88-89)

  “爱丁顿试图为大自然的常数提出一个统一的解释,吸引了不少的拥护者。他同时代的伟大物理学家,如狄拉克、爱因斯坦、玻尔和玻恩都发现他的说法是无益的,并有礼貌地坦诚表示他们不能理解。由于这样的反响,爱丁顿感到灰心,并且不理解为什么别人看不到他看到的事物。1944年,他向朋友赫伯特.丁格尔抱怨说:
  “‘我将继续努力寻找是什么原因人们认为我的做法是不可理解的。但我愿意指出,虽然爱因斯坦考虑我的观点晦涩难懂,仍有数百位人士认为,我是做法对解释它[宇宙的本质——译者]是必要的。我不可能真的认为,我的研究达到了与狄拉克相同的那种晦涩难懂的程度。然而对于爱因斯坦和狄拉克的情形,人们认为值得花精力去穿透迷雾。我相信人们终将理解我是对的,只是要在他们认清要这样做之时——以及爱丁顿的‘解说’变成时尚之时。’
  “那一天从未来到。”(P99-100)

6、巨大而古老,黑暗而寒冷

  “我们已经知道恒星的炼金术过程要花时间的——花了它几十亿年时间。而且由于我们的宇宙在不停地膨胀,如果它有足够的时间来产生生命复杂性的基础材料,它需要有几十亿光年的体积。一个宇宙若只是像我们的银河星系一样大,含有1000亿颗恒星,它的年龄应当略大于一个月。一个古老的不停膨胀的宇宙除了其尺度巨大之外;另一个后果就是它是寒冷的、黑暗的和静寂的。当任何气体球或辐射球,其体积膨胀时,它的组成部分的温度随其体积增大而成比例地下降。一个巨大的而又古老到足以包含复杂性的基础材料的宇宙必定是很寒冷的,而且平均辐射能量的水平是如此之低,使得空间处处显得黑暗。
  “要冷静反思经历几个世纪曾经存在的超自然的和宗教的回答,夜晚天空的黑暗和星罗棋布的图景;广阔无垠的空间和我们在其中的偶然位置,在事物宏伟的格局中仅仅是一个小点。现代宇宙学表明这些特点都不是随机偶然的。它们是宇宙中全体相互联系中的组成部分。事实上,它们是包含生命观察者的任何宇宙的必要的特点。值得注意的是,这种类型宇宙对它的栖居者的超自然的影响对于在其他地方的任何有感知的生物,很可能会有另一种必然要出现的副产品。宇宙具有这样奇妙的特性,使人类认为,它的异乎寻常的种种特性,对于生命的存在是冷漠无情的,虽然实际上它们都对生命至关重要。
  “如果我们要将宇宙中一切物质调匀成为均匀的原子海洋,我们就会明白存在的东西是多么稀少。在每立方米的空间中大约略多于1个原子。地球上没有一个实验室能产生这样的一个人造真空,其中的任何地方能接近于如此高程度的虚空。今天人们可得到的最佳的真空在一立方米中大约包含10000亿个原子。
  “以这种方式来观察宇宙为我们了解宇宙向我们展示的种种特性提供了某些重要的新见解。宇宙的最显著的许多特点——庞大的尺寸和漫长的岁月,空间的寂静和黑暗——这一切都是为存在像我们这样的有智慧的观察者的必要条件。我们对地球外的生命不会感到惊奇,如果它存在的话,必定是如此稀少和相隔如此遥远。宇宙中很低的平均物质密度意味着,如果我们要把这些物质聚集成恒星或星系,那么我们可预期这些物体之间的奇大无比的平均距离。”(P117-118)

  “我们画出了随时间推移,我们的宇宙膨胀的轨迹。在宇宙范围内,环境渐渐地冷却下来并允许原子、分子、星系、恒星、行星形成。我们处在宇宙历史中介于恒星诞生和死灭之间某个特殊的合适的位置上。
  “……看来存在主义哲学家卡尔.雅斯贝斯(K. Jaspers)也受到爱丁顿作品的鼓动思考,在宇宙历史的特殊时代,在特殊的地点我们的存在事件的意义。
  “……在这里存在着有关宇宙中人类生命的惟一性的某些重大假设。然而,问题产生了,虽然没有答案。这问题是关于为什么此时此地正是我们所在的位置。”(P119-120)

7、宇宙的奥秘:平衡和均匀

  “当我们更严密地考察宇宙膨胀时,我们发现它是得到精巧的平衡的,这种膨胀非常接近于临界的分界线,该分界线将那些膨胀快到足以克服引力的牵拉,并永远保持下去的宇宙,与那些最终返回到整体收缩的状态,且在未来某个有限时间朝向灾变的大坍缩的宇宙区别开来。事实上,我们是如此接近临界的分界,以致我们的观测不能肯定地告诉我们长期的预告能掌握些什么。的确,靠近这分界线的膨胀邻区是一个大奥秘:它似乎先验地极不可能是偶然存在的。再者,这并非是完全预料不到的。宇宙膨胀得太快就不可能将物质聚拢以形成星系和恒星,于是复杂生命的基础材料无法造就。相反,如果宇宙膨胀得太慢,那么在恒星形成所需经过的几十亿年之前它就将崩坍进入收缩。
  “惟有位于非常接近临界的分界上的宇宙能够生存足够长的时间,并且膨胀温和,足以使恒星和行星形成。这不是偶然的,我们发现我们本身生活在宇宙明显开始膨胀的几十亿年之后,并目睹宇宙位于接近临界的分界的膨胀状态。
  “我们的宇宙的第二个独有的特征是它的均匀性。各个星团超出星系尺度的水平差别是很小的,平均只有大约十万分之一。这一点是重要的,因为如果差别非常大,那么星系会很快合并成浓密的团块,而黑洞会在支持生命的环境得以建立以前很久就已形成。即使它们能够建立,星系范围内的引力强度会大到足以打乱行星环绕恒星(如太阳)的轨道。相反,如果团块尺度比观测到的小得多,那么物质密度上的非均匀性会过于微弱,从而使星系和恒星永远难以形成。再者,这宇宙会失去生命的生物化学的基础材料:一个比较简单又无意义的地方。”(P189-190)

8、空间的维数和时间的维数

  “许多科学家曾探索过具有不同维数的空间和时间的宇宙的可能性。正如当我们考虑空间为其他维数和时间为一维的宇宙一样,我们可假设大自然的定律保持相同的数学形式,但容许空间和时间的维数可自然变动遍及一切可能性。
  “包括了一切可能性的棋盘由于施加了少量合理的条件限制可能会急剧地减少这些可能性,而这些条件似乎很可能对信息处理、记忆,因而对‘生命’的存在是必要的。如果我们要求由现在来决定未来,那么我们就要消除棋盘板上所有这些标着‘不可预测的’区域。如果我们要有稳定的原子沿着围绕恒星的物体(行星)的稳定的轨道一起存在,那么我们必须删去标着‘不稳定’的条块。删去其中只有比光快的信号的世界,留给我们的是空间加时间维数3 1的我们自己的世界,以及那些具有空间加时间的维数为2 1,1 1和1 2的很简单的世界。这类世界通常被认为太简单,以致不可能包含有生物。例如,在2 1维的世界中,质量之间不存在引力,并且存在一个由设计施加的简单性,这对任何试图演化复杂性的意图提出了挑战。”(P226)

  “具有多于一维时间的世界是难以想像的,并且似乎能提供更多的可能性。哎呀,它们似乎提供了如此之多的可能性,以致比起在单一时间维度的世界内,物质的基本粒子的稳定性远远少得多。质子很容易衰变成中子、正电子和中微子,而电子蜕变成中子、反质子和中微子。额外时间维度的总效应是造成复杂结构的高度不稳定,除非它们在极端低温度的条件下被冻结。
  “当我们考虑空间和时间维数异于3加1的世界时,我们就遇到一个突出的问题。具有多于一维时间的世界不允许从现在来预测将来。在这个意义上它们颇像时间维度为零的世界。一个复杂的有机的系统,如生命所需要的那种系统,不可能利用从它的环境搜集到信息来报告未来的行为。它将是简单的:太简单了以致无法存储信息也无法演化。
  “如果空间或时间的维数是随机选定的而所有的数目都有可能,那么我们应期待这个数是一个很大的数。选择一个小的数是非常不可能的。可是,由需要有‘观测者’探讨这个问题所加的约束意味着不是一切可能性是可供利用的,因而一个三维空间是强加于我们的。所有其他种种世界必定是没有生命的。如果另一个宇宙中的科学家知道我们的定律,但不知道我们居住的宇宙的维数,他们也能单独从我们存在的事实导出空间维数。”(P227-228)

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《大自然的常数》:从开端到终点
The Constants of Nature: The Numbers That Encode the Deepest Secrets of the Universe
[英]约翰.巴罗John Barrow
2002年初版于英国
上海译文出版社
2006年4月第1版

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