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老子與霍金（上）
藍(lán)天云隼 發(fā)表于 2009-6-30 9:06:00
好象過去發(fā)生的一切都是在為霍金作必要的準(zhǔn)備?，F(xiàn)在，宇宙正在膨脹的事實(shí)已被發(fā)現(xiàn)，而相對(duì)論和量子力學(xué)也在各自的領(lǐng)域取得了成功并正在指導(dǎo)著應(yīng)用科學(xué)的進(jìn)步?；艚饚R了必要的行裝，登上了開往“自然終極定律”的列車，老子正在那里等候他的到來。
為了找尋宇宙初始的奧秘，必須從1929年哈勃所發(fā)現(xiàn)的宇宙正在膨脹入手。由于哈勃發(fā)現(xiàn)，所有星體都在離我們遠(yuǎn)去，離我們越遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們的速度就越快，而且星系遠(yuǎn)離我們的速度同離開我們的距離成正比。這個(gè)現(xiàn)象是無論你向天空中哪一個(gè)方向看都是一樣的，這可能會(huì)使人們以為自己便是宇宙的中心。但是我們并不能否認(rèn)有這種可能，就是在宇宙中別的地方也會(huì)得到相同的結(jié)果，或者更近一步，即在宇宙的任何一點(diǎn)向外看，都會(huì)看到哈勃所看到的情景。正如《時(shí)間簡史》第三章所說：“所有的星系都直接相互離開。這種情形很像一個(gè)畫上好多斑點(diǎn)的氣球被逐漸吹脹。當(dāng)氣球膨脹時(shí)，任何兩個(gè)斑點(diǎn)之間的距離加大，但是沒有一個(gè)斑點(diǎn)可認(rèn)為是膨脹的中心。”
以這種模型描述的宇宙有這樣一個(gè)特點(diǎn)：“即在過去的某一時(shí)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(shí)刻，宇宙的密度和空間——時(shí)間曲率都是無窮大?！币?yàn)橐酝覀兯斫獾目臻g和時(shí)間都是平坦、連續(xù)的，而在上述宇宙模型中存在這樣一個(gè)點(diǎn)，空間和時(shí)間都不在具有連續(xù)性。也就是說，不可能將空間和時(shí)間的狀態(tài)反推回去而通過這個(gè)點(diǎn)?！斑@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后所要發(fā)生的事件，因?yàn)榭深A(yù)見性在大爆炸處失效了?！沁@樣，與之相應(yīng)的，如果我們只知道在大爆炸后發(fā)生的事件，我們也不能確定在這之前發(fā)生的事件。就我們而言，發(fā)生于大爆炸之前的事件不能有后果，所以并不構(gòu)成我們宇宙的科學(xué)模型的一部分。因此，我們應(yīng)將它們從我們模型中割除掉，并宣稱時(shí)間是從大爆炸開始的?！保ā稌r(shí)間簡史》第三章）。“愛因斯坦廣義相對(duì)論本身預(yù)言了：時(shí)空在大爆炸奇點(diǎn)處開始，”《時(shí)間簡史》第八章。
這同我們通常所理解的大爆炸是不同的，我們總是想象在一個(gè)已經(jīng)存在的空曠的空間里，在時(shí)間的某一刻，一個(gè)巨大、密集的物質(zhì)團(tuán)爆炸了，從而產(chǎn)生了今天的星系。這主要是因?yàn)槲覀冊诮^對(duì)時(shí)間的宇宙觀里長大，那無邊無際的空間和沒頭沒尾的時(shí)間觀念對(duì)我們的影響實(shí)在是太大了。要理解霍金所描述的宇宙的開始狀態(tài)，必須去除無限空間和時(shí)間的概念。這是一個(gè)非凡的解釋，也就是說，在宇宙開始的那一刻，空間和時(shí)間都不存在，宇宙的開端是一個(gè)“無”的狀態(tài)！這也正是《老子》中所說的：“無、名天地之始”（第一章）“天下萬物生于有，有生于無”
（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(shí)間和空間都是“無”。老子在《道德經(jīng)》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(dǎo)出的宇宙的初始是完全一致的。
但上述的模型還存在一個(gè)問題，就是用廣義相對(duì)論雖然可以解釋大爆炸以后不斷膨脹的宇宙，但不能解釋宇宙的開端，既大爆炸時(shí)宇宙的狀態(tài)。正如霍金所說：“廣義相對(duì)論只是一個(gè)不完全的理論，它不能告訴我們宇宙是如何開始的。因?yàn)樗A(yù)言，所有包括它自己在內(nèi)的物理理論都在宇宙的開端失效?！庇钪娴拈_始點(diǎn)在廣義相對(duì)論中是個(gè)奇點(diǎn)。奇點(diǎn)就象是大街上丟失了蓋子的井，有些不協(xié)調(diào)，有些不和邏輯。如果說，在大爆炸以后，宇宙便依照一定的規(guī)律而自然演變，而這一非常有規(guī)律的演變竟是起源于一個(gè)毫無規(guī)律可言的起點(diǎn)，這似乎有些說不過去。由于在極早期宇宙中有過這樣一個(gè)時(shí)刻，那時(shí)宇宙是如此之小，密度又是如此之大，此時(shí)的宇宙以基本粒子為主。于是，霍金想到了二十世紀(jì)的另一個(gè)偉大理論，量子力學(xué)。因?yàn)榱孔恿W(xué)就是研究小尺度范圍內(nèi)基本粒子之間相互作用的成功理論。將量子力學(xué)引入到由相對(duì)論負(fù)責(zé)研究的大尺度引力問題，進(jìn)而創(chuàng)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(shí)間簡史》第五章中對(duì)量子引力論有詳盡描寫。我們在這里可以不用去理解太多的物理學(xué)術(shù)語，我們只需要知道以相對(duì)論和量子力學(xué)為基礎(chǔ)，霍金成功地解釋了1929年哈勃所發(fā)現(xiàn)的正在膨脹的宇宙，并依照其膨脹速度將宇宙推演到它的起始點(diǎn)。這樣一來，我們可以說宇宙就是基于相對(duì)論和量子力學(xué)的宇宙。相對(duì)論和量子力學(xué)基本原理就是宇宙的基本原理。于是絕對(duì)時(shí)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(gè)起點(diǎn)上，宇宙空間的尺寸為零；在大爆炸之后，宇宙一直處于膨脹之中，宇宙空間的尺寸一直在變大，今天的宇宙尺寸已經(jīng)是相當(dāng)大了，但它只是浩瀚的，并不是無限的！其次，我們所熟知的時(shí)間不是無始無終的，它從100多億年前的那個(gè)起點(diǎn)處開始，并有可能終結(jié)。
在絕對(duì)時(shí)間宇宙觀失效之后，進(jìn)一步所發(fā)現(xiàn)的宇宙符合量子力學(xué)和相對(duì)論。而量子力學(xué)和相對(duì)論中分別有一個(gè)基本原理，那就是不確定性原理和光速恒定原理，他們就成為了霍金所描繪的宇宙的特征。而《老子》之中有關(guān)不確定性原理和光速恒定原理的描述將使人大開眼界。量子力學(xué)中的不確定性原理是，一個(gè)基本粒子的位置不確定叫△S；速度不確定叫△V；質(zhì)量叫m；這三個(gè)參數(shù)不能為零，只能混在一起來說，三者的乘積要大于等于普郎克常數(shù)。當(dāng)基本粒子的內(nèi)秉質(zhì)量為零時(shí)，就成為了光，而光遵守光速恒定原理，即不管觀察者運(yùn)動(dòng)多快，他們應(yīng)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?！保此坏浇幸模宦犓恢邢?；抓它不住叫微。這三個(gè)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。隨后老子說：“其上不皎，其下不昧。”（它上面不亮，它下面不暗），多么形象地描述的微觀粒子的不確定性?！袄K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(xué)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(zhì)量，而光沒有質(zhì)量，所以對(duì)于微觀粒子也是“名可名，非常名。”所以也就繩繩兮不可名了。然后，“復(fù)歸于無物，是謂無狀之狀，無物之象，是謂惚恍?！保ó?dāng)它歸于沒有質(zhì)量，就是無狀之狀，無物之象，就叫惚恍）。當(dāng)基本粒子的內(nèi)秉質(zhì)量為零時(shí)，如上面所說，此時(shí)的基本粒子就是光。
因此，“無狀之狀，無物之象”就是對(duì)光的描述，光的典型特征是波粒二重性，波是象、粒是狀，光波沒有質(zhì)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。但老子并沒有給它起名叫“光”，而是叫“惚恍”，惚恍是光一閃一閃的狀態(tài)，光的閃爍意味著光的傳播，對(duì)了，惚恍是光速！在物理學(xué)家們的發(fā)現(xiàn)中可以得知恒定的是光速而不是光本身。而后老子描繪了“惚恍”的特點(diǎn)：“迎之不見其首，隨之不見其后?！保ㄓ纯床坏剿那邦^；跟著它看看不到它的后面）。老子所描述的惚恍與物理學(xué)家描述的光速（不管觀察者運(yùn)動(dòng)多快，他們應(yīng)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辟地闡述了不確定性原理和光速恒定原理。但是這并沒有結(jié)束，老子接著說：“執(zhí)古之道，以御今之有。能知古始，是謂道紀(jì)?！保ㄓ米怨啪陀械牡?，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(jì)”）。而霍金就是利用自古就有的原理（不確定性原理和光速恒定原理），來觀察、理解今天這個(gè)正在膨脹的宇宙，從而推導(dǎo)出了宇宙起始點(diǎn)。
現(xiàn)在讓我們完整的讀一遍《老子》中包含了宇宙基本規(guī)律即不確定性原理和光速恒定原理，并將這種以道觀今而知古始的方法命名為“道紀(jì)”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(fù)歸于物。是謂無狀之狀，無物之象，是謂惚恍。迎之不見其首，隨之不見其后。執(zhí)古之道，以御今之有。能知古始，是謂道紀(jì)。
霍金確定了解釋宇宙的物理學(xué)定律，而且從理論上是成功的，量子引力學(xué)很好地解釋了今天這個(gè)正在膨脹的宇宙。但是，霍金還需要一個(gè)證據(jù)，就如同當(dāng)年，愛因斯坦預(yù)言光線偏折從而驗(yàn)證空間彎曲一樣?；艚鹣氲搅艘粋€(gè)辦法：那就是象宇宙之初那樣的物質(zhì)高密度點(diǎn)可能存在于我們今天的宇宙之中，他把這種物質(zhì)高密度點(diǎn)稱為“黑洞”。黑洞的特點(diǎn)是物質(zhì)被高度擠壓而存在于一個(gè)極小的尺寸里，（如果黑洞的質(zhì)量和一座山差不多，卻被壓縮成萬億之一英寸亦即比一個(gè)原子核的尺度還?。。谶@個(gè)尺寸里有巨大的引力場。
正如《時(shí)間簡史》第六章中所描述的：“一個(gè)質(zhì)量足夠大并足夠緊致的恒星會(huì)有如此強(qiáng)大的引力場，以致于連光線都不能逃逸——任何從恒星表面發(fā)出的光，還沒到達(dá)遠(yuǎn)處即會(huì)被恒星的引力吸引回來?！薄稌r(shí)間簡史》第二章中所描述的：“坍縮的恒星在自己的引力作用下被陷入到一個(gè)區(qū)域之中，其表面最終縮小到零。并且由于這區(qū)域的表面縮小到零，它的體積也應(yīng)如此。恒星中的所有物質(zhì)將被壓縮到一個(gè)零體積的區(qū)域里，所以物質(zhì)的密度和空間——時(shí)間的曲率變成無限大。換言之，人們得到了一個(gè)奇點(diǎn)，它被包含在叫做黑洞的空間——時(shí)間的一個(gè)區(qū)域中?！?/font>
這樣的高密度點(diǎn)，也就是黑洞，在時(shí)空之中是個(gè)奇點(diǎn)。它同宇宙之初的狀態(tài)類似，時(shí)空在黑洞處不是連續(xù)而平坦的。黑洞的密度如此之高且尺寸如此之小，使得時(shí)空在這里彎曲并終結(jié)。如果有一個(gè)宇航員膽敢沖向黑洞的話，他完結(jié)的不僅是身體，他的時(shí)空也雖之終結(jié)。由于黑洞與宇宙之初大爆炸時(shí)的狀態(tài)類似，如果能在今天的宇宙里找到這樣的黑洞的話，就意味著有關(guān)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，以至于連光線都不能逃逸。在黑暗的宇宙中找黑洞，正如霍金所說：就如同是在煤庫里找黑貓。
進(jìn)一步的研究使霍金看到了希望。到了二十世紀(jì)七十年代，對(duì)黑洞長時(shí)期的思考使霍金得出了“黑洞不是這么黑”的推測?；艚鹫J(rèn)為，由于黑洞的大引力場的作用，在黑洞的邊界處應(yīng)該時(shí)時(shí)刻刻發(fā)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(shí)憑空誕生一對(duì)對(duì)正粒子和反粒子，而這些粒子都很短命，它們產(chǎn)生后便找到它們的伴侶并與之相湮滅。但是有些反粒子不慎掉進(jìn)了黑洞，與它相伴的正粒子找不到相互湮滅的對(duì)象，從而有可能逃逸到太空之中。于是人們有機(jī)會(huì)觀測到這些逃逸到太空之中的粒子，于是人們也就有機(jī)會(huì)找到黑洞。關(guān)于粒子從無到有，再從有到無的推測是巧妙的，也并不是毫無根據(jù)的，如今在高能加速器中就可以創(chuàng)造這樣的過程。不僅如此，《老子》中對(duì)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?！保ǔ摹盁o”來觀察事物的奧妙；常從“有”來發(fā)現(xiàn)事物的邊界?！盁o”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(guān)鍵）。那什么是玄之又玄呢？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，并通過它而得知黑洞的存在，進(jìn)而通過黑洞的存在證實(shí)宇宙誕生時(shí)的狀況?；艚鹜ㄟ^“玄之又玄，眾妙之門”的方法成功地演繹了“黑洞不是這么黑”的推測，而隨即他的推測即被證實(shí)。2500年的時(shí)空好象并不遙遠(yuǎn)，老子的“玄之又玄”在霍金的演繹下變得一點(diǎn)也不“玄”了。
到現(xiàn)在，我們看到了許多《時(shí)間簡史》與《老子》共通之處，但這些還不夠?！独献印返诙徽碌拿鑼懜求@人?！翱椎轮荩┑朗菑??！保ù蟆暗隆钡臉幼?，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(guān)系，為了描述最高層的“德”必須從“道”入手。那什么是“道”呢？“道之為物，惟恍惟惚?！保ā暗馈笔鞘裁茨兀恐皇腔兄皇倾保?。還記得惚恍嗎？第十四章中的那個(gè)惚恍闡述了光速恒定原理和不確定性原理，在這里老子更加清楚地告訴我們“道”就反映在這個(gè)惚恍身上。而后老子繼續(xù)描述惚恍：“惚兮恍兮，其中有象；恍兮惚兮，其中有物?！边@是對(duì)光的波粒二重性的又一次精彩描述?！般辟饣匈狻笔枪獾囊环N狀態(tài)，“其中有象”，象是虛的，虛的是波；“恍兮惚兮”是光的另一種狀態(tài)，“其中有物”，物是實(shí)的，實(shí)的是粒子。
然而，這并不算結(jié)束，接下來的更是另人瞠目結(jié)舌：“窈兮冥兮，其中有精，其精甚真，其中有信?！瘪菏切?，冥是暗、是不那么黑，其中有精華，這精華是非常真的。是不是很眼熟，對(duì)了，這里描寫的是黑洞！“黑洞的特點(diǎn)是物質(zhì)被高度擠壓而存在于一個(gè)極小的尺寸里”，難道不是“窈”嗎？“黑洞不是這么黑”，難道不是“冥”嗎？“物質(zhì)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?！庇惺裁葱?，當(dāng)然是宇宙初始的信息?；艚鸩痪褪峭ㄟ^黑洞的存在而證實(shí)宇宙誕生時(shí)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?！睆慕窨梢酝浦h(yuǎn)古，那個(gè)宇宙誕生的真相一直存在，用來了解萬物的本始。最后老子非?？隙ǖ馗嬖V我們：我是怎么了解萬物的本始的狀態(tài)的呢？以此。
也許2500年的時(shí)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(yùn)行之“道”原本就在那里，真正是“自今及古，其名不去”。無論是2500年前的老子從人的規(guī)律通曉了天的規(guī)律；還是今天的霍金用試驗(yàn)的手段，通過觀測了解了天的規(guī)律，最后殊途同歸，共同歸結(jié)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，其中有象；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？
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