自然界的定律从何而来_陶家祥

  引力,这不只是一个理念,还是定律;而这样的定律,和例如交通或药物方面的法规是不同的。你不可能有所选择,对引力或任何其他物理学定律你只能服从。跳起来后你只能落回到地上,信仰或意愿与此无关。
 
  这是否只是幻想的记录,一种把有关世界的事实组织起来的方法?亦或是在统治着自然界,还是仅仅在描述自然界?这些定律从何而来,我们并不知道,大多数科学家对此似乎也不知道或并不在意,这有什么关系吗?
 
 
科学与信仰
 
  最近,据美国亚利桑那州立大学宇宙学家兼科普作家保罗·戴维斯(Paul Davies)在《纽约时报》上发表的文章,认为这个问题关系很大。戴维斯认为,科学并非和宗教有什么不同,也是以信仰为基础,不过不是信仰上帝,而是信仰一个有秩序的宇宙的理念。如果心中没有这个假定,科学家是无法工作的。戴维斯的论点引起了广泛的批评,许多文章和读者来信指出,我们所看到的自然界的秩序是经过2000多年的观察和实验而被探测和验证了的。
 
  加州大学圣巴巴拉分校的卡夫利理论物理研究所所长、诺贝尔物理学奖获得者大卫·J·格罗斯(David J.Gross)说:“我更多地信任科学的方法,信任依据许多世纪以来的科学记录及其回答不能回答的问题的能力,远远超过我对信仰的方法的信任(那是些什么方法呀?)。”
 
  戴维斯承认他的信箱里充满了意见尖刻的来信,但他说他是被误解了。他说,他所要挑战的并不是定律的存在,而是关于定律来源的传统思维。
 
  宇宙和宇宙学定律的问题,其实是一类鸡和蛋的问题。何者先有———定律还是宇宙?
 
  如果物理学定律适用于一切的话,那么它们应该适用于任何地点、任何时间,包括大爆炸。这就使这些定律具有了一种超乎时空之外的地位。
 
  另一方面,许多思想家猜测,空间和时间作为存在的特性,是在大爆炸中与宇宙俱来的。那么为什么定律本身不是如此呢?
 
  戴维斯抱怨,传统观点只是把超时空定律看作是17世纪没有上帝的一神教。其实,关于宇宙的合理性的理念早在一神教之前就已存在了。远至公元前5世纪,希腊数学家毕达哥拉斯及其追随着就宣称自然界是数。柏拉图设想存在一个更高级的理想形式的王国,其中有椅子的、圆的或银河的完善形式;而可感世界的现像只是这些形式的有缺陷的反映而已。柏拉图这种超时空的理念,曾在数学家和理论物理学家中被广泛接受。
 
  得克萨斯大学的诺奖获得者斯蒂文·温伯格(Steven Weinberg)把自己描述成“绝妙的柏拉图主义者”,认为自然界的定律如同“田野里的石块”一样实际,“定律似乎坚持它的存在,不论我们看到它时的环境如何。”
 
 
极端柏拉图主义
 
  这些日子里的极端柏拉图主义者是马萨诸塞技术研究所的宇宙学家马克斯·泰格马克(Max Tegmark)。他最近推断数学不是描述了宇宙———数学就是宇宙。
 

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  他认为我们是数学结构的一部分,虽然我们要远比一个六角形、一张乘法表甚至描述现代粒子的物理学的多维对称要复杂得多。他预言,其他数学结构以它们自己的宇宙,存在于一种毕达哥拉斯式的民主秩序之中。“世界上的每一事物都是数学的———包括你在内”,他说。
 
  这或许能解释为什么数学能如此成功地描述宇宙的原因。
 
  并非每一个物理学家都宣誓忠诚于柏拉图的。迫于环境,这些科学家会把定律描述得更加实用一些,如同反映自然界规律性的速记一样。加州技术研究所的宇宙学家肖恩·卡罗尔(Sean Karroll)是这样说的:“一条物理学定律是自然界无例外地遵从的一种样式。”
 
  1920年代,量子力学诞生了。按照这一奇特的理论,有一种不可还原的随机性存在于现实的本质内核之中,它让一个基本粒子(如一个电子)如雾一般地到处迷漫,或者是波,或者是粒子,直到某种测量方法将它定位为止。
 
  在这种情况下,物理学就不再与世界总体有关,而只与实验、与我们同世界的相互作用的结果有关了。但75年之后,这些论点仍有争议。爱因斯坦曾抱怨“上帝不玩骰子”。
 
  加拿大沃特罗大学哲学家斯蒂文·温斯坦(Steven Weinstein)把“自然界定律”定义为赐给似乎普适、有用而深刻的原理的一种“敬语”。这些定律实际上如何普适、深刻,部分取决于自然界,部分取决于我们,因为我们是使用这些定律的人。
 
  但可能如戴维斯所言,柏拉图真的死了,不再有不受时限的永恒的定律或真理了。一小撮诗人-物理学家在寻找更主张偶然性的非绝对主义者的定律,这些定律被得克萨斯大学的物理学家称为“没有定律的定律。”
 
  有一个例子,物理学家李·斯莫林(Lee Smolin)已发展出一种理论认为:自然界的定律是随时间而变的。它把众多宇宙想像为巢居在黑洞内的俄罗斯玩偶,这些玩偶每次出生时都有微小的性格差异。但他的理论中还缺少一种星际定律,以便规定众多定律是如何和为何会代代变化的。
 
  尼尔斯·波尔研究所的丹麦物理学家霍尔格·B·尼尔森(Holger B.Nielsen)是弦理论的先驱者之一,长期以来一直在进行一项被他称为“随机力学”的研究计划,试图说明物理学定律是如何从一个他称之为“世界机器”的更普适的概念演化的。他说,“‘随机力学’的目的是要推导出所有已知的物理学定律都是基本随机的‘世界机器’的不可避免的产物。”
 
 
宇宙不可预测?
 
  得克萨斯大学物理学家惠勒(Wheeler)博士认为,自然界定律能“杂乱无章”地从原始的混沌中产生,可能是量子不确定性的结果。根据这一逻辑,某些物理学家提出,不必花费太多的精力去寻求终极的定律。
 
  维也纳大学物理学家安东·齐林格(Anton Zeilinger)是惠勒的崇拜者,他认为现实世界最终是由信息构成的,宇宙基本上不可预测。而本文作者丹尼斯·奥弗此(Dennis Overbye)喜欢固有的随机性这个理念,其理由如同他喜欢生物学上的自然选择理念一样。因为是它而且只有它才能保证每一种可能性会衰弱,每一种环境要经受考验,每一个生物龛可以栖息,每一种逃逸的计划可加以探索。它是为创新开出的良方,如果你要孵化出一个多产的宇宙,还能找到什么别的办法吗?
 
  但太强的多产性也会成为一个问题。爱因斯坦希望宇宙是独一无二的:给定少数基本原理,只需要一种统一的理论。爱因斯坦的梦想迄未实现。宇宙学家和物理学家近来发现他们正面对着一个有无限量宇宙的多宇宙理念,每一个宇宙各有不同的定律。
 
  在这种情况下,是存在着一种超乎一切的星际定律去统治所有这些宇宙的。这个预想中的定律之王也许将是弦理论,它被说成是一切事物的理论,每种事物会有10500个解决办法。
 
  然而,由于宇宙学家不知道宇宙是如何产生的,甚至也没有一种有说服力的理论,他们就对自然界定律从何而来、或这些定律是否独一无二和不可避免,或只是风中的一叶之谜,无法加以解决。
 
  像这样一类猜测是有趣的,但这些不是科学。“科学哲学对科学家来说,可能有像鸟类学对鸟一样的用处”,此言出自诺贝尔奖获得者理查德·费曼(Richard Feynman),最近的诺奖获得者温伯格又重复了这种说法。
 
  也许两种不同的理论———柏拉图的永恒的石板论和惠勒的杂乱的过程论———会变成都是正确的。非要把永恒性和偶然性加以区分,就像描述光时非要把波和粒子加以区分一样地荒谬。谁知道呢?当然,无定律的定律仍然是定律。
 
  面对着世界的复杂性而处于犹豫之中的时候,科学家只能像玩牌时令他们出的牌能赢的那样,像宇宙真的是可认知的那样,别无选择。这正是他们曾经做了2000多年的事情,他们仍然在赢。