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道紀第二章《時間簡史》與《老子》 上

2015-02-08

二:《時間簡史》與《老子》 上
注:本章所引用的圖片來自湖南科學技術出版社的《時間簡史》
好像過去發生的一切都是在為霍金作必要的準備。 現在,宇宙正在膨脹的事實已被發現,而相對論和量子力學也在各自的領域取得了成功並正在指導著應用科學的進步。 霍金帶齊了必要的行裝,登上了開往“自然終極定律”的列車,老子正在那裡等候他的到來。
為了找尋宇宙初始的奧秘,必須從1929年哈勃所發現的宇宙正在膨脹入手。 由於哈勃發現,所有星體都在離我們遠去,離我們越遠的星系遠離我們的速度就越快,而且星系遠離我們的速度同離開我們的距離成正比。 這個現像是無論你向天空中哪一個方向看都是一樣的,這可能會使人們以為自己便是宇宙的中心。 但是我們並不能否認有這種可能,就是在宇宙中別的地方也會得到相同的結果,或者更近一步,即在宇宙的任何一點向外看,都會看到哈勃所看到的情景。 正如《時間簡史》第三章所說:“所有的星係都直接相互離開。這種情形很像一個??畫上好多斑點的氣球被逐漸吹脹。當氣球膨脹時,任何兩個斑點之間的距離加大,但是沒有一個斑點可認為是膨脹的中心。”
以這種模型描述的宇宙有這樣一個特點:“即在過去的某一時刻(約100到200億年之前)鄰近星系之間的距離為零。在這被我們稱之為大爆炸的那一時刻,宇宙的密度和空間——時間曲率都是無窮大。”因為以往我們所理解的空間和時間都是平坦、連續的,而在上述宇宙模型中存在這樣一個點,空間和時間都不在具有連續性。 也就是說,不可能將空間和時間的狀態反推回去而通過這個點。 “這表明,即使在大爆炸前存在事件,人們也不可能用之去確定之後所要發生的事件,因為可預見性在大爆炸處失效了。……正是這樣,與之相應的,如果我們只知道在大爆炸後發生的事件,我們也不能確定在這之前發生的事件。就我們而言,發生於大爆炸之前的事件不能有後果,所以並不構成我們宇宙的科學模型的一部分??。因此,我們應將它們從我們模型中割除掉,並宣稱時間是從大爆炸開始的。”(《時間簡史》第三章)。 “愛因斯坦廣義相對論本身預言了:時空在大爆炸奇點處開始,”《時間簡史》第八章。
這同我們通常所理解的大爆炸是不同的,我們總是想像在一個已經存在的空曠的空間裡,在時間的某一刻,一個巨大、密集的物質團爆炸了,從而產生了今天的星系。 這主要是因為我們在絕對時間的宇宙觀里長大,那無邊無際的空間和沒頭沒尾的時間觀念對我們的影響實在是太大了。 要理解霍金所描述的宇宙的開始狀態,必須去除無限空間和時間的概念。 這是一個非凡的解釋,也就是說,在宇宙開始的那一刻,空間和時間都不存在,宇宙的開端是一個“無”的狀態! 這也正是《老子》中所說的:“無、名天地之始”(第一章)“天下萬物生於有,有生於無” (第四十章)。 原來《老子》所說的“無”就是這種真正的無,不僅一無所有,而且時間和空間都是“無”。 老子在《道德經》的開篇就斬釘截鐵地宣稱“無,就是天地的開始”。 這同霍金的模型所推導出的宇宙的初始是完全一致的。
但上述的模型還存在一個問題,就是用廣義相對論雖然可以解釋大爆炸以後不斷膨脹的宇宙,但不能解釋宇宙的開端,既大爆炸時宇宙的狀態。 正如霍金所說:“廣義相對論只是一個不完全的理論,它不能告訴我們宇宙是如何開始的。因為它預言,所有包括它自己在內的物理理論都在宇宙的開端失效。”宇宙的開始點在廣義相對論中是個奇點。 奇點就像是大街上丟失了蓋子的井,有些不協調,有些不和邏輯。 如果說,在大爆炸以後,宇宙便依照一定的規律而自然演變,而這一非常有規律的演變竟是起源於一個毫無規律可言的起點,這似乎有些說不過去。 由於在極早期宇宙中有過這樣一個時刻,那時宇宙是如此之小,密度又是如此之大,此時的宇宙以基本粒子為主。 於是,霍金想到了二十世紀的另一個偉大理論,量子力學。 因為量子力學就是研究小尺度範圍內基本粒子之間相互作用的成功理論。 將量子力學引入到由相對論負責研究的大尺度引力問題,進而創建了量子引力論,霍金成功的描述了包括宇宙開端的宇宙演化過程。 《時間簡史》第五章中對量子引力論有詳盡描寫。 我們在這裡可以不用去理解太多的物理學術語,我們只需要知道以相對論和量子力學為基礎,霍金成功地解釋了1929年哈勃所發現的正在膨脹的宇宙,並依照其膨脹速度將宇宙推演到它的起始點。 這樣一來,我們可以說宇宙就是基於相對論和量子力學的宇宙。 相對論和量子力學基本原理就是宇宙的基本原理。 於是絕對時間宇宙觀失效了。 首先,宇宙空間不是無限的,在100多億年前的那個起點上,宇宙空間的尺寸為零;在大爆炸之後,宇宙一直處於膨脹之中,宇宙空間的尺寸一直在變大,今天的宇宙尺寸已經是相當大了,但它只是浩瀚的,並不是無限的! 其次,我們所熟知的時間不是無始無終的,它從100多億年前的那個起點處開始,並有可能終結。
在絕對時間宇宙觀失效之後,進一步所發現的宇宙符合量子力學和相對論。 而量子力學和相對論中分別有一個基本原理,那就是不確定性原理和光速恆定原理,他們就成為了霍金所描繪的宇宙的特徵。 而《老子》之中有關不確定性原理和光速恆定原理的描述將使人大開眼界。 量子力學中的不確定性原理是,一個基本粒子的位置不確定叫△S;速度不確定叫△V;質量叫m;這三個參數不能為零,只能混在一起來說,三者的乘積要大於等於普郎克常數。 當基本粒子的內秉質量為零時,就成為了光,而光遵守光速恆定原理,即不管觀察者運動多快,他們應測量到一樣的光速。
《老子》第十四章中有這樣的描寫:“視之不見,名曰夷;聽之不聞,名曰希;搏之不得,名曰微。此三者不可致詰,故混而為一。”(看它不到叫夷;聽它不著叫希;抓它不住叫微。這三個不可能追究到底,所以要混而為一)。 這簡直就是不確定性原理的文言版。 雖後老子說:“其上不皎,其下不昧。”(它上面不亮,它下面不暗),多麼形像地描述的微觀粒子的不確定性。 “繩繩兮不可名。”(紛紜不絕無法命名),還記得光的波粒二重性嗎? 量子力學論證微觀粒子和光一樣也具有二重性,只不過微觀粒子有質量,而光沒有質量,所以對於微觀粒子也是“名可名,非常名。”所以也就繩繩兮不可名了。 然後,“復歸於無物,是謂無狀之狀,無物之象,是謂惚恍。”(當它歸於沒有質量,就是無狀之狀,無物之象,就叫惚恍)。 當基本粒子的內秉質量為零時,如上面所說,此時的基本粒子就是光。 因此,“無狀之狀,無物之象”就是對光的描述,光的典型特徵是波粒二重性,波是像、粒是狀,光波沒有質量,所以是無物之象;粒子無法確定其速度和位置,所以是無狀之狀。 但老子並沒有給它起名叫“光”,而是叫“惚恍”,惚恍是光一閃一閃的狀態,光的閃爍意味著光的傳播,對了,惚恍是光速! 在物理學家們的發現中可以得知恆定的是光速而不是光本身。 而後老子描繪了“惚恍”的特點:“迎之不見其首,隨之不見其後。”(迎著它看看不到它的前頭;跟著它看看不到它的後面)。 老子所描述的惚恍與物理學家描述的光速(不管觀察者運動多快,他們應測量到一樣的光速)有異曲同工之妙。 到此為止,老子在第十四章中完全精闢地闡述了不確定性原理和光速恆定原理。 但是這並沒有結束,老子接著說:“執古之道,以御今之有。能知古始,是謂道紀。”(用自古就有的道,來觀察、理解今天的存在,可以理解宇宙的初始,這種方式叫做“道紀”)。 而霍金就是利用自古就有的原理(不確定性原理和光速恆定原理),來觀察、理解今天這個正在膨脹的宇宙,從而推導出了宇宙起始點。
現在讓我們完整的讀一遍《老子》中包含了宇宙基本規律即不確定性原理和光速恆定原理,並將這種以道觀今而知古始的方法命名為“道紀”的第十四章:
視之不見,名曰夷;聽之不聞,名曰希;搏之不得,名曰微。 此三者不可致詰,故混而為一。 其上不皎,其下不昧。 繩繩兮不可名,復歸於物。 是謂無狀之狀,無物之象,是謂惚恍。 迎之不見其首,隨之不見其後。 執古之道,以御今之有。 能知古始,是謂道紀。
霍金確定了解釋宇宙的物理學定律,而且從理論上是成功的,量子引力學很好地解釋了今天這個正在膨脹的宇宙。 但是,霍金還需要一個證據,就如同當年,愛因斯坦預言光線偏折從而驗證空間彎曲一樣。 霍金想到了一個辦法:那就是像宇宙之初那樣的物質高密度點可能存在於我們今天的宇宙之中,他把這種物質高密度點稱為“黑洞”。 黑洞的特點是物質被高度擠壓而存在於一個極小的尺寸裡,(如果黑洞的質量和一座山差不多,卻被壓縮成萬億之一英寸亦即比一個原子核的尺度還小!),而在這個尺寸裡有巨大的引力場。 正如《時間簡史》第六章中所描述的:“一個質量足夠大並足夠緊緻的恆星會有如此強大的引力場,以致於連光線都不能逃逸——任何從恆星表面發出的光,還沒到達遠處即會被恆星的引力吸引回來。”《時間簡史》第二章中所描述的:“坍縮的恆星在自己的引力作用下被陷入到一個區域之中,其表面最終縮小到零。並且由於這區域的表面縮小到零,它的體積也應如此。恆星中的所有物質將被壓縮到一個零體積的區域裡,所以物質的密度和空間——時間的曲率變成無限大。換言之,人們得到了一個奇點,它被包含在叫做黑洞的空間——時間的一個區域中。”
這樣的高密度點,也就是黑洞,在時空之中是個奇點。 它同宇宙之初的狀態類似,時空在黑洞處不是連續而平坦的。 黑洞的密度如此之高且尺寸如此之小,使得時空在這裡彎曲並終結。 如果有一個宇航員膽敢沖向黑洞的話,他完結的不僅是身體,他的時空也雖之終結。 由於黑洞與宇宙之初大爆炸時的狀態類似,如果能在今天的宇宙裡找到這樣的黑洞的話,就意味著有關宇宙之初大爆炸的推測是可信的。 但是黑洞的引力是如此之大,以至於連光線都不能逃逸。 在黑暗的宇宙中找黑洞,正如霍金所說:就如同是在煤庫裡找黑貓。
進一步的研究使霍金看到了希望。 到了二十世紀七十年代,對黑洞長時期的思考使霍金得出了“黑洞不是這麼黑”的推測。 霍金認為,由於黑洞的大引力場的作用??,在黑洞的邊界處應該時時刻刻發生著粒子從無到有,再從有到無的過程。 也就是說在黑洞的邊界處不時憑空誕生一對對正粒子和反粒子,而這些粒子都很短命,它們產生後便找到它們的伴侶並與之相湮滅。 但是有些反粒子不慎掉進了黑洞,與它相伴的正粒子找不到相互湮滅的對象,從而有可能逃逸到太空之中。 於是人們有機會觀測到這些逃逸到太空之中的粒子,於是人們也就有機會找到黑洞。 關於粒子從無到有,再從有到無的推測是巧妙的,也並不是毫無根據的,如今在高能加速器中就可以創造這樣的過程。 不僅如此,《老子》中對從無到有,從有到無的描寫也異常精彩。 《老子》第一章中是這樣寫的:“常無,欲以觀其妙;常有,欲以觀其徼。此兩者,同出而異名,同謂之玄。玄之又玄,眾妙之門。”(常從“無”來觀察事物的奧妙;常從“有”來發現事物的邊界。“無”和“有”兩者是一回事,而名字不同,和在一起叫“玄”,玄之又玄,是一切變化奧妙的關鍵)。 那什麼是玄之又玄呢? 玄是無和有的總稱,“玄之又玄”就是“無和有再無和有”,就是從無到有,再從有到無。 正粒子和反粒子在黑洞邊界處的誕生與湮滅就是“玄之又玄”。 通過正粒子和反粒子的“玄之又玄”從而使一些正粒子變成了“有”而逃逸到太空之中,使人們可以觀測到它,並通過它而得知黑洞的存在,進而通過黑洞的存在證實宇宙誕生時的狀況。 霍金通過“玄之又玄,眾妙之門”的方法成功地演繹了“黑洞不是這麼黑”的推測,而隨即他的推測即被證實。 2500年的時空好像並不遙遠,老子的“玄之又玄”在霍金的演繹下變得一點也不“玄”了。
到現在,我們看到了許多《時間簡史》與《老子》共通之處,但這些還不夠。 《老子》第二十一章的描寫更是驚人。 “孔德之容,惟道是從。”(大“德”的樣子,只能通過“道”來解釋)。 老子在本章的開始先描述了“道”與“德”的關係,為了描述最高層的“德”必須從“道”入手。 那什麼是“道”呢? “道之為物,惟恍惟惚。”(“道”是什麼呢?只是恍只是惚)。 還記得惚恍嗎? 第十四章中的那個惚恍闡述了光速恆定原理和不確定性原理,在這裡老子更加清楚地告訴我們“道”就反映在這個惚恍身上。 而後老子繼續描述惚恍:“惚兮恍兮,其中有像;恍兮惚兮,其中有物。”這是對光的波粒二重性的又一次精彩描述。 “惚兮恍兮”是光的一種狀態,“其中有像”,像是虛的,虛的是波;“恍兮惚兮”是光的另一種狀態,“其中有物”,物是實的,實的是粒子。 然而,這並不算結束,接下來的更是另人瞠目結舌:“窈兮冥兮,其中有精,其精甚真,其中有信。”窈是小,冥是暗、是不那麼黑,其中有精華,這精華是非常真的。 是不是很眼熟,對了,這裡描寫的是黑洞! “黑洞的特點是物質被高度擠壓而存在於一個極小的尺寸裡”,難道不是“窈”嗎? “黑洞不是這麼黑”,難道不是“冥”嗎? “物質被高度擠壓”,難道不是“其中有精,其精甚真”嗎? 不僅如此,老子還說:“其中有信。”有什麼信,當然是宇宙初始的信息。 霍金不就是通過黑洞的存在而證實宇宙誕生時的狀況的嗎? 接下去老子自己給出了解釋:“自今及古,其名不去,以閱眾甫。吾何以知眾甫之狀哉?以此。”從今可以推知遠古,那個宇宙誕生的真相一直存在,用來了解萬物的本始。 最後老子非常肯定地告訴我們:我是怎麼了解萬物的本始的狀態的呢? 以此。
也許2500年的時空距離在黑洞的邊緣處根本就不算距離。 更好的解釋是,世界的運行之“道”原本就在那裡,真正是“自今及古,其名不去”。 無論是2500年前的老子從人的規律通曉了天的規律;還是今天的霍金用試驗的手段,通過觀測了解了天的規律,最後殊途同歸,共同歸結到真正的“道”上面。
讓我們再一次回顧《老子》第二十一章:
孔德之容,惟道是從。 道之為物,惟恍惟惚。 惚兮恍兮,其中有像;恍兮惚兮,其中有物。 窈兮冥兮,其中有精;其精甚真,其中有信。 自今及古,其名不去,以閱眾甫。 吾何以知眾甫之狀哉? 以此。
(歡迎繼續閱讀第二章下半部分: 《時間簡史》與《老子》下
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来自:曾百琦  > 周易與科學
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