第三节:现有宇宙模型未必正确
霍金在他的新书《大设计》里用鱼缸里的金鱼为例,对人类解释宇宙终极思想的模型进行了说明,并针对宇宙大爆炸学说,指出宇宙大爆炸学说只是恰当的解释了很多现象,虽然很多人怀疑宇宙大爆炸学说,但是没有也无法找到更好的模型来解释所发现的现象,而用新的模型来解释宇宙,只要合理就完全是可以的。
霍金在《大设计》一书中指出:“对于同一物理的运动,如果人类与鱼缸里的金鱼本身属于两个参考系统,金鱼的实在图像和人类观察的不同,但金鱼仍然可以表述制约它们观察到的在鱼缸外面物体运动的科学定律。例如,由于变形,我们观察到的在一根直线运动的一个自由物体会被金鱼观察成是沿着一根曲线运动。尽管如此,金鱼可以从它们变形的参考系中表述科学定律,这些定律总是成立,而且使它们能预言鱼缸外的物体的未来运动。它们的定律会比我们参考系中的定律更为复杂,但简单性只不过是口味而已。如果一条金鱼表述了这样的一个理论,我们就只好承认金鱼的风景是实在的一个正确的图像。”如果存在两个都和观测相符的模型,正如金鱼(眼中)的图像和我们(眼中)的图像,那么人们不能就因此确定这一个比另一个更真实。在所考虑的情形下,哪个更方便就用哪个。
而人类的思维与对所处环境的观察,主要来自人本身的反映,并不一定是宇宙世界的所有。人类对于宇宙的认识,必然受限于自己观察的工具、介质与本身的感观能力。当然光进入人的视线也是经过一个透镜效应的,通过视网膜的接收而进行对外观测,感受一束光然后让人有所反映,对该束光产生一种认识。
霍金书里说道“在某种情形下,单独的物体甚至并没有独立的存在,而仅作为众多系统的部分而存在。如果一种称为全息原理的理论被证明是正确的,我们以及我们的四维世界可能是一个更大的五维时空在边界上的影子。在那种情形下,我们在宇宙中的状况就类似于金鱼的状况了。
彻底的现实主义者经常论证说科学理论描绘实在的证明在于它们的成功,但不同理论可以通过全异的概念框架成功地描述同样的现象。事实上,许多已被证明成功的理论后来被其他基于全新的实在性概念之上的同等成功的理论所取代。
依赖模型的现实主义使现实主义和反现实主义的思想学派之间所有这类争议变得毫无意义。按照依赖模型的现实主义,去问一个模型是否真实是毫无意义的,只有是否与观测相符才有意义。如果存在两个都和观测相符的模型,正如金鱼的图像和我们的图像,那么人们不能想当然的认为这一个比另一个更真实。在所考虑的情形下,哪个更方便就用哪个。例如,如果一个人处于金鱼缸内那么金鱼图像会是有用的,但对外界的人们而言,在地球鱼缸的参照系里去描述从远处星系来的事件就会非常地笨拙,尤其是因为鱼缸随着地球围绕太阳公转并围绕着自己的轴自转而在运动。”
霍金书里继续说道:“我们永远观察不到夸克。它们永远以三个一组(质子和中子)或者以夸克反夸克对(π介子)存在,并且它们正像由橡皮带连接在一起似的。
自夸克模型首次提出之后的年代里,人们一直在争议着“如果永远不能分离出一个夸克,那么认为夸克真的存在是否有意义”的问题。一些次核粒子的不同结合构成了某些粒子的思想,提供了一种编组原理,由此对其性质给予简单而引人的解释。但是,尽管物理学家已习惯于接受那些粒子,它们也只从有关其他粒子散射的数据统计中推断其存在。对许多科学家而言,将实在性赋予一个在原则上也许不能被观测到的粒子太过分了。
然而,这么多年来随着夸克模型导出愈加正确的预言,反对的声音也随之消退。某种拥有十七只手臂、红外眼以及习惯从耳朵吹出浓缩奶油的外星生物会进行与我们相同的实验观察,但不用夸克描述之,这是完全可能的。尽管如此,根据依赖模型的现实主义,夸克存在于一个和我们对次核子粒子如何行为的观察一致的模型中。”
依赖模型的现实主义能够为讨论诸如以下问题提供框架:如果世界是在有限的过去创生的,那么在那之前发生了什么?一位早期的基督教哲学家圣·奥古斯丁(354-430)认为其答案不是上帝正为问此类问题的人们准备地狱,而是时间是上帝创造的世界的一个性质,时间在创生之前不存在,他还相信创生发生于过去不那么久的时刻。
这是一个可能的模型,尽管在世界上存在化石和其他证据使之显得古老得多(它们被放在那里是用来愚弄我们的吗?),那些坚持《创世纪》中的叙述确实是真的人很喜欢这个模型。”
何时需要新的模型
霍金在《大设计》里认为一个好的模型需要满足如下条件:首先,它是优雅的,优雅是指理论的形式,但它与缺少可调整元素紧密相关,由于一个充满了修补的因素的理论不很优雅。引述爱因斯坦的话,一个理论应该尽可能简单,但不能更简单了。优雅就不是容易测量的某种东西,但科学家们非常珍视它,因为自然定律是意味着把许多特殊情况经济地压缩成一个简单公式。其次,它包含很少任意或者可调整的元素。再次,它和全部已有的观测一致并能解释之。最后,它对将来的这种观测做了详细的预言,如果这些预言不成立,观测就能证伪这个模型。关于这一点,当新的令人震惊的预言被证明正确时,总给科学家留下深刻的印象,另一方面,当一个模型发现做不到这一点,一种普遍反应是说实验错了。如果证明不是那种情形,人们经常仍然不抛弃这个模型,而试图通过修正来挽救它。尽管物理学家执著地努力拯救他们赞美的理论,随着改动变得做作而且繁琐,理论因此而变得“不优雅”,人们修正理论的热情也就消退了。
霍金继续提问何时需要新的模型,许多已被证明成功的理论后来被其他全新的理论取代,十九世纪的时候很多人因为看不见原子而拒绝接受。如果容纳新的观测所需的修正过分雕琢,这就标志着我们需要新模型,稳态宇宙的观念是老模型迫于新观测而撤退的一个例子。十九世纪二十年代,多数科学家相信宇宙是静止的,或者在尺度上不变,后来埃德温·哈勃于1929年发表了他的观测显示宇宙正在膨胀。哈勃观察到由星系发射出的光,但并未直接观察到宇宙在膨胀,那些光携带特征记号或于每个星系成分的光谱,如果星系相对于我们运动,光谱就会改变一个已知的量。因此,哈勃由分析远处星系的光谱能够确定它们的速度,他原先预料会找到离开我们运动的星系数目与靠近我们运动的星系一样多。相反,他发现几乎所有的星系都离开我们运动,而且处在越远的地方,它们就越快地运动。哈勃得出结论,宇宙正在膨胀。
但其他人坚持早先的模型,试图在稳态宇宙的框架中解释他们的观测。例如,加州理工学院的物理学家弗里茨·兹威基建议,也许因某些还未知的原因当光线穿越巨大距离时慢慢地损失能量,这种能量减小会对应于光谱的改变。兹威基提议的这种改变能够模拟哈勃的观测。在哈勃之后的几十年间,许多科学家继续坚持稳态理论,但最自然的模型是哈勃的膨胀宇宙模型,而它已被接受。
我们的宇宙模型正确吗?
根据现代物理学、弦理论和现代物理观测等,有证据证明我们的宇宙不是唯一的,在我们宇宙之外,还有很多与我们宇宙一样的宇宙,物理学家称之为平行宇宙。那么我们的宇宙在众多宇宙中应该是什么样子的呢?宇宙之外的世界是如何诞生的呢?
假如我们突然有了神通,我们自己无限的变大、变大,最后这个我们所在的137亿光年的宇宙在我们这些巨人手中,就像一个鸡蛋一样大小,被我们审视、观测,那我们会发现什么?放在我们手中的宇宙,将是什么样子的呢?
第一,我们的宇宙应该是旋转的!——在多宇宙状态中,我们的宇宙必然是旋转的。如果我们的宇宙是静止的那么将违背万物皆有运动的真理。因为无论是夸克、原子核、光子、电子、还是分子、地球、太阳、银河系还是星团都在自我旋转,如果我们的宇宙拥有其他伙伴宇宙,那么我们的宇宙应该拥有一定的自我旋转速度,至于证据我会在后面章节里提到。我们将会发现,我们手中的宇宙必然是一体的,如果这个宇宙是松散的,那么宇宙将无法保持稳定。无论是地球,还是原子、电子,还是太阳系、银河系,它们都有自己的结构,无论对于任何独立宇宙构成单元来说,就是在外部必然有一个某种形式的外壳,以区分内部与外部的关系。
第二,当前流行的宇宙大爆炸也必然受到置疑。在这个旋转的宇宙体中,当物质只占不到4%、暗物质占有23%、暗能量占73%时,宇宙大爆炸还是正确的吗?因为万有引力在目前宇宙理论中太重要了,但是事实是真正决定宇宙的更像是暗物质与暗能量,所以我们必须存在疑问,宇宙是大爆炸形成的吗?万物的生长,比如大树有一个小的种子,通过太阳的照射,不断获取外面的能量、水分、营养才能长大,而人们难以想象我们137亿光年的宇宙是有无限小的点爆炸而变成的,并且缺乏合理的逻辑。虽然有不少科学界公认的侧面证据证明了宇宙大爆炸,但是一个聚合的宇宙完全也可以解释这些证据,关于这一点在我们后面的章节中也会讲到。当然我们也可以认为推动宇宙膨胀的那些力量,本身就是宇宙的旋转能量,甚至有一部分属于多宇宙状态外来的能量。
第三,光速度真的不可超越吗?量子纠缠被爱因斯坦认为是鬼魅般的现象,有证据证明,量子纠缠传播速度最少达到光速的万倍以上。而我们的宇宙是像气球一样不断膨胀的、拥有外壳的宇宙,那么我们将面临着如下问题。在这个137亿光年的宇宙中,如果万有引力是决定宇宙的最后力量,在当前万有引力传播速度为光速的前提下,在一个多平行宇宙模型中,我们必然要面临一个问题,就是丧失结构性,它必然支离破碎。一个破碎的宇宙很难是平稳的,也就很难呈现出宇宙的稳定性,破碎的宇宙不是我们目前宇宙的实际情况。那么很明显,我们宇宙还存在一个结构,这个结构足够维持宇宙137亿光年的秩序,很显然这个结构的整体传播约束力与速度只有满足可以大大超过光速才能束缚并保持我们的宇宙形成结构。我们的宇宙除了万有引力之外,还应该有其他力参与。在没有确实证据的时候,我们可以假设暗能量与暗物质的一部分属于超光速微粒子。