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李淼的博客

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疯狂的目的论  

2009-10-15 13:55:16|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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在近代科学中,尤其在物理理论中,因果律一向被当着不可动摇的原则。所谓因果律,就是任何事件都是由前一刻的另一个事件决定的,我们一步一步向回倒 推,就会将事件链条列出来。举一个日常的例子,任何一个人的存在是因为他们父母先于他(她)存在并且在他出生之前结婚了。在物理理论中,因果律由运动方程 体现出来,这些运动方程往往是时间作为变量的微分方程,方程往往是应用因果律推导出来的。因果律还可以从方程的解看出,我们可以由方程获得无限多个解,选 择了初始条件之后,我们就可以从这些无限多个解中挑出一个解来。换言之,决定了初始条件,往后的事件就完全确定了。

牛顿力学是一个典型的体现因果律的力学体系。举一个最简单的例子,假如我们知道了作用在一个粒子上的力,牛顿方程告诉我们,只要你知道了该粒子在初 始时刻的位置和速度,它在未来任何时刻的位置和速度就确定了。其实牛顿力学是时间反演对称的,如果你知道了粒子在未来一个时刻的位置和速度,你也可以推出 它在过去任意一个时刻的位置和速度。这不过是简单地倒果为因,说成是因果律还是果因律关系不大。但牛顿自己知道,要用他的体系确定我们的宇宙(在他的时代 基本上是太阳系),那么他需要知道最原始的初始条件是怎么决定的,这就是第一推动问题,是谁让天体在最初的时刻具有了特殊初始条件从而派生出我们现在看到 的速度和轨道?因果律不足以决定宇宙的一切,因为不论在牛顿体系中还是现代物理学体系中,都存在无限多个可能的初始条件,从而存在无限多个可能的宇宙历 史。

很多人喜欢谈论量子论中的不确定性,其实量子力学也是满足因果律的。一个粒子的波函数方程与一个粒子的经典运动方程没有本质上的不同,都是以时间作 为变量的微分方程。如果我们知道了波函数在某个初始时刻的样子,那么未来任何时刻的波函数也就决定了。我们通常将满足因果律的物理体系看作满足决定论的。

霍金和他的合作者曾经试图解决第一推动的问题,也就是说,初始条件在某种意义上是唯一的。如何选择这个初始条件?这就超出普通决定论的范围。也许我 们希望像上帝一样建造一个有着某种固定未来的宇宙,例如人类必将出现。有着这种因素在内的理论我们通常称为目的论,即初始状态的选择依赖于我们对未来的期 待。当然,霍金等人的理论不是目的论。

我过去写过不少关于人择原理的文章,所谓人择原理,就是以人类存在为前提来选择我们的宇宙。人择原理后面的“合理性”是只有我们人类或类似的智慧生 命才会研究科学,才会提出为什么有物理规律、宇宙为什么是我们看到的样子这类问题。我自己并不相信人择原理,但人择原理的确有目的论的成分在里面。

丹麦哥本哈根大学玻尔研究所的Holger Nielsen一向被认为是玻尔之后的最有原创性的丹麦物理学家,一直以来,他在鼓吹一种目的论,即我们的宇宙不仅是初始条件决定的,而是整个历史包括未来所决定的。

他和他的合作者,日本人Masao Ninomiya提出了一个具体的含有目的论的理论(他们没有用目的论这个词汇,他们用了逆因果律)。为了解释他们的理论,我们要稍微回顾一下在量子论 中,经典因果律是如何出现的。这需要回到费曼。费曼很久以前提议用对历史求和的方法取代体现量子因果律的波函数微分方程。他的方法道理上很简单,如果我们 想从某个初始时刻的波函数推出现在的波函数,我们就对所有的历史求和,每个历史赋予一个相因子(相因子是绝对值为1的复数)。在数学中我们知道,如果邻近 历史的相因子的变化很大,那么邻近的相因子基本上抵消。所以,经典历史是那种邻近历史的相因子变化最小的的历史。这样,奇迹般地,满足因果律的历史是由经 典物理中不熟悉的复数决定的。

Nielsen和Ninomiya则建议,费曼的求和规则应该改成对任意复数的求和,而不仅仅是相因子。用物理学家熟悉的语言来说,每个历史的作用 量不只是一个实数,它还有一个虚部。但这个虚部在费曼的规则中体现出来的却是改变几率的实数!这个改变几率的实数依赖于整个历史。这是他们目的论的来源。

这两位不同寻常的人提出了一个不同寻常的建议。他们认为,即将运行的大型强子对撞机可能产生的黑格斯粒子就会带来很大的几率修正。也就是说,如果未来会产生很多黑格斯粒子,那么这个历史的几率就会变得很小。换言之,他们的目的论不允许未来会有很多黑格斯粒子产生。

如果他们的理论是正确的,就会出现两个可能的结果,要么大型强子对撞机运行了,却会因为某种原因不会产生黑格斯粒子,要么会出现某种突发性事件(如 经费短缺,地震,等)使得大型强子对撞机永远运行不起来!他们甚至还建议进行某种赌博性的实验来检验他们的理论。这个理论足够疯狂,以致十月12日的纽约 时报专门报道了他们的理论。

我比较同情两位物理学家的目的论,虽然我不太相信黑格斯粒子在目的论中扮演的重要角色。这是因为,在我的一个暗能量模型中,未来在某种程度上决定了 现在。有意思的是,日本人Ninomiya和我有类似的历史,我们都在玻尔所待过,都在布朗大学做过研究助理教授。他比我年长,从而历史比我早,所以我了 解他的历史,他并不了解我的。这里,目的论没有起什么作用。

(《环球科学》专栏,勿转)

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