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霍金想多了吗?宇宙之王的终极量子论,宇宙波函数揭示的科学谜思

Weave 2019-09-14 最新文章

宇宙波函数,是被誉为“宇宙之王”的霍金对于宇宙的终极猜想。

霍金的假设很简单,如果整个宇宙只是一个量子粒子,是否意味着宇宙也有自己的波函数?一个拥有波函数的宇宙,意味着什么?

霍金的猜想1:宇宙是概率的,即是无限的。

自从德布罗意波被证实,“波粒二象性”似乎不再只是微粒子的特权。霍金更是大胆地将整个宇宙量子化描述,于是宇宙成了一个拥有无限平行宇宙的集合。

1924年,改行攻读物理学的德布罗意,在他的博士论文中,提出了一个令世人震惊的观点:实物与粒子一样具有波粒二象性。1927年,戴维逊和革末用电子束单晶衍射法,汤姆逊用多晶金属箔透射法,分别发现了电子的衍射现象,证实了德布罗意提出的物质波的存在。

和粒子的量子运动不一样,宇宙之间的量子跃迁,可以说是岁月悠长,甚至超过宇宙本身的寿命。因为我们的宇宙概率被认为是极大的,所以我们的宇宙才表现出实在性,但也意味着还有无数其它的宇宙,只是它们的概率加起来,远远不及我们宇宙的概率。

目前,霍金开创的量子宇宙学,还只是一个物理愿景,缺失数学语言的描述,所以不足以作为一个理论。

但霍金坚信自己理论的正确性,因为它有很清晰的目标。于是,霍金曾投入了大量的时间计算宇宙波函数的解,以求得到一个满足我们这个宇宙概率是一个极大值的解。

霍金的猜想2:虫洞不再用于时间旅行,而是连接不同平行宇宙的通道

1957年,物理学家休·埃弗雷特曾对量子理论做过一个“多世界”诠释,即你的每一次选择,都会使世界“分裂”,每一种选择都存在于不同的世界中,就像阿根廷作家乔治·路易斯·博尔赫斯在《岔路口花园》中所言:时间永远分岔,通往无数的未来。

埃弗雷特的多世界诠释,可以在数学上等同于量子理论的所有诠释,但作为让宇宙最受伤的理论,多世界诠释并没有在物理学界流行起来,而成为了文学界最棒的科幻世界观。

每一个独立的世界,可以演绎完全不同的人生故事,所有的世界彼此独立。而霍金的宇宙波函数则更加疯狂,因为所有的宇宙是可以连通的,通道就是“虫洞”。

在霍金的理论中,虫洞成为了真正的彩虹桥。在霍金的设想中,所有的宇宙都被虫洞同时连接着,但虫洞的平均大小可能仅是一个普朗克长度(10^-35m)。

普朗克长度,是由引力常数、光速和普朗克常数决定的一个宇宙最小长度。除此之外,还有普朗克时间10^-43s,它们揭示了宇宙并不能无限可分,时空具有最小单位。我们现在已知的所有物理定律,只有在这个最小单位之上,才有效。

霍金的猜想3:每个宇宙都有自己的物理规则。

波函数意味着,一切都是随机的。

无数的宇宙随机分配着不一样的物理规则:不一样的时间、不一样的半衰期、不一样的电荷大小……

所以,你即便进入这样的平行宇宙中去旅行,你无法以我们的时间概念去界定那里,或许你已经去过了,但又回来了,只是毫无察觉。这样讨论注定毫无意义。

而我们的宇宙只是恰巧匹配了一系列严苛的物理指标的世界,于是才能诞生我们这样的智慧生命体。

宇宙就像用于测试各种物理规则,会产生怎样化学反应的气泡。我们是其中一个气泡孕育出的实验结果。在各宇宙气泡之外,没有时间、空间的物理概念,这种状态被称为“虚时空”

“虚时空”就像隔离无数宇宙的绝对屏障,禁止不同物理规则的世界相互联系。

霍金的猜想4:除了我们的主宇宙,其他的平行宇宙都是死宇宙。

不同的物理规则,意味着大多数宇宙可能无法产生生命。因为,生命的产生必须满足一大堆的限制要求。

1、比如改变核物理的常量。

一旦基础的核物理常量改变,超新星爆发中或许就不会产生重元素,而生命需要重元素,才能生成蛋白质与DNA。

2、比如减少质子的衰变期。

目前,大统一理论给出的质子衰变期长达 10^30 年,而宇宙的年龄才不过 10^10 年。质子悠久的寿命是一切生命的基础。

现在关于生命的起源,不管是深海起源说,还是陆地小池塘起源说,各种元素不经历10亿到20亿年的时间,都不可能会出现生命的早期形式。而如果我们将质子的衰变期减少到只有百万年的时间,那么生命就不可能出现。

更不用说,像温度、化学成分、引力这些显而易见的确保生命存活的环境因素,一个细微的差别或许就无法产生生命。

所以,大多数的平行宇宙注定会是死宇宙,没有任何生命。或许10亿个平行宇宙中,才会出现1个像我们这样的宇宙。

霍金的这种“婴儿宇宙”理论,注定在科学领域会产生类似哲学问题,甚至是宗教问题的争议与讨论。

从“拟人化”到“人择原理”,是上帝的回归吗?

每一个时代,每一个民族,都曾出现以自身模样拟人化的众神。

科学的发展,第一大功绩就是将人类从最初蒙昧无知的“上帝”崇拜中,拯救了出来,抛弃了“拟人化”的错误认知。

但随着科学发展的深入,当世界被放在显微镜下观察时,我们发现越来越多无法解释的事情,了解越多,疑惑越多。世界的偶然性似乎越发明显,因为我们无法解释这些常数的由来。

我们的宇宙中,有各种的常数,如果它们稍稍改变,那我们就不会出现,是谁制定了这些满足生命诞生的常数?一个是偶然,无数的偶然又意味着什么?

有疑问就会有思考,有思考就会有不同的回答。而“人择原理”的回答是,我们看到的宇宙之所以如此,是因为我们的存在。

这是“人择原理”的由来,“拟人化”似乎又以“人择原理”的思想,回到了科学之中?

目前,存在两个版本的人择原理:

弱人择原理:智慧生命存在的本身,就是一种实验事实。

史蒂文·温伯格:世界就是现在的这个样子,倘若它不是这样,就不会有人问这个世界为什么是这个样子。

因为,生命能出现,需要的偶然因素太多了。

我们的存在,就是一系列复杂情况必然已经发生了的铁证。然后,我们再给宇宙赋予意义,以及各种具体的描述:宇宙的年龄、它的化学成分、它的温度、它的尺寸以及物理过程。

宇宙的样子,其实都是我们赋予的,或者说,在我们能看见的有限范围内,是这个样子。我们也许就生活在宇宙沙漠的绿洲里。

而弱人择原理的第一应用,可以说就是解释宇宙诞生于100亿年前,因为这只是根据我们生命能存在的倒推,但也许这只是宇宙沙漠里我们所待的绿洲的诞生时间,而更广的沙漠外围我们看不见,也推测不了。

强人择原理:宇宙中一切的物理常数,都已被精确地设计好了。

费里曼·戴森:当我们观察宇宙,发现了许多物理学和天文学上的偶然现象。它们巧合地融合在一起造福于我们。我感觉,宇宙似乎在某种意义上知道我们的到来

是谁设计的这一切?似乎又绕不开上帝这样的一个角色。

可以想象一下,在一场求职竞争中,几个偶然事件让你的竞争对手脱颖而出,你还会羡慕其运气太好。但如果是一系列近乎苛刻的要求,却完美符合你的竞争对手,让你在竞争中落败,你肯定会鄙视对手走“后门”的无耻之举,而咒骂背后的那个“上帝”葬送了你的机会。

而我们生存的宇宙,完美匹配了这样一连串苛刻的常数。是谁为了创造生命,精确地计算了这些值?

强人择原理似乎提供了科学定律中具有神意的证据,但这却是与科学史发展背道而驰。

人择原理就像一个古老咒语的现代升级版,当顶级的科学家们触碰到时代的天花板时,所产生的无解反思。

只有当你醒悟过来,才会发现它即不具备预言性,也无法验证

所以,人择原理只是一种思想上除不去的鬼魅,而不是一个科学原理。人择原理象征了,科学的局限性对于终极秘思的妥协。

虽然,没有科学家就没有科学,但我们不能认定没有科学,宇宙就不存在了。

就在科学家们似乎已经找到了自我救赎的信念之后,霍金的宇宙波函数,再次将其复苏。

因为,波函数意味着无数的平行宇宙,它们可以有各种不同的物理常数。这样无数的宇宙中,就会有很多因为达不到我们所熟知的常量,而毫无生机。我们成了其中碰巧全部常量达标的一个,虽然我们并不是上帝精心设计的产物,但却打开了“弱人择原理”的可能性,为什么我们是众多宇宙中唯一的生命宇宙,我们为何如此特别?

爱因斯坦一生最大的错误:宇宙常数,在宇宙波函数里有了新的解释。

虽然,霍金宇宙波函数引发的第二次人择原理的争论更加深刻,以至于今天也无法回答,但它却回答了一个长达80年的科学谜题。

在20世纪20年代,为了解决从场方程中推导出来的宇宙在膨胀的恼人结论,爱因斯坦强行加入了宇宙常数以抵消宇宙的膨胀。

但1929年,哈勃的发现却证实了宇宙确实在膨胀,也证明了爱因斯坦的画蛇添足。

所以说,所有人为常数的界定,在物理学中都是危险的,它代表了我们有限的认知。如果有更好的解释,没有人会愿意用常数去构建自己的物理方程。

今天,我们知道宇宙常数接近于零,如果常数是小且正的,引力会表现得更加大,宇宙会被卷缩起来;如果常数是小且负,引力表现为排斥,所有东西都会快速飞离,甚至超光速,让你看不见它们发出的光。

而所谓的宇宙常数与真空的能量有密切的关系。

而20世纪70年代,最成功的量子理论“标准模型”与大统一理论,开始大量地研究对称性破坏。对称性意味着一种高能量状态,而对称性破坏就是一种能量损失后的表现。

好比,一个高速旋转的陀螺拥有对称性,但当它停止旋转倒下后,它的对称性就破坏了。

而各种粒子都存在不同程度的对称性破坏,势必产生能量进入真空,这会让真空中产生大量的能量,以此估算出的真空能量密度高达2×10^109J/m^3,而实际测量出来的真空密度仅为2×10^-11J/m^3。

这100^120倍的差距,毫无疑问给科学界带来了一个巨大的问号。这是至今为止,理论与实验最大的一次分歧,而基于霍金的宇宙波函数揭示的虫洞理论,则可以解决这一问题。

提出这一解题思路的人叫西德尼·科尔曼,他的论文被登上了《发现》杂志,被命名为《平行宇宙——来自哈佛最疯狂的物理学家的新真相》

简单来说,科尔曼认为连接无数平行宇宙的虫洞,将过多的能量送出了我们的宇宙。在他的计算下,宇宙波函数在宇宙常数趋于零时,就会表现为概率非常大。

假如宇宙常数非零,宇宙波函数的概率就会很小,这意味着发现其他宇宙的概率为零,只有宇宙常数为零,我们宇宙的存在才是唯一的。

100^120倍的差距就这样被消除掉了,科尔曼的结论无疑是一个重磅炸弹,给理论物理学界带来了一种以前从未被考虑过的机制。


宇宙波函数下的虫洞保证了我们宇宙的相对稳定,不会被锁紧为一个小球,也不会过分的暴胀。同时,也能解释我们宇宙诞生那一刻的“无中生有”。

然而,霍金的宇宙波函数,是一种强行合并相对论与量子力学的理论,但并没有完全解决量子理论的矛盾。其中令人震惊的观点,对宇宙的思考带来了一种全新的维度,无愧于“宇宙之王”的畅想。

而基于现代理论物理学的高速发展,包括宇宙波函数在内的所有前沿理论,似乎都绕不过普朗克长度。

如果,谁能揭示普朗克长度之下的秘密,无疑将真正打开人类通往超空间的大门。而霍金的宇宙波函数理论,也只是现代高维理论中的一个注脚而已。

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