没有起点的桥

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没有起点的桥 译者： sawyerfj 原作者：Amanda Gefter


宇宙起源问题的探讨



From: nautil.us By: Amanda Gefter

万物是如何从无中生有的？当威廉·詹姆斯思考这个恼人的基本问题时，意识到要回答它就等于在否定答案本身，于是他做出了如下的结论：“关于存在的问题，是所有哲学思想中最为黑暗的问题。在虚无和存在之间，没有逻辑的桥梁。”
在科学的世界里，起因和现象是解释的基础。但如果虚无真的什么也没有，它也就没有起因。这并非由于我们无法找到正确的解释，只是这个解释本身在虚无面前显得不堪一击罢了。
这种失败不偏不倚地击中了我们的痛点。叙事是人类的一大特征。我们的基本常识都是从故事中听来的，而世界的起源问题则是众多故事中最为终极的一个，它比英雄的光辉经历或者男男女女的罗曼史更加根本，它是原初的叙事。然而，它也是一个否定故事的故事，是一种自我毁灭和自相矛盾相互交织的叙事。
怎么不是呢？这个问题的关键词是虚无，而这个词本身的存在就是一个悖论。它是一个名词，代表某种事物，但从意义上说又什么都没有。当我们想象或说出它的时候，它的虚空就沾上了含义的印记，被我们破坏了。于是人们就会想，这究竟是虚无的问题还是我们的问题？这究竟是关乎宇宙还是关乎语言？是有关存在还是有关心理？它是一个物理悖论还是一个思想悖论？
无论如何，有一件事情是需要铭记的：悖论的解决方法要在问题里寻，而非在答案中找。在某处一定有一个疏忽，一个有瑕疵的假设，或者一个错误的含义。在”万物是如何从无中生有的？”这样一个简洁的问题中，可以隐藏错误的地方并不多。也许正因为如此，我们才会不断遭遇披着崭新伪装的老问题，让科学的发展轨迹变得如同变奏曲一般（译者注：离谱的意思吗？）。现在让我们来试一试，在通往詹姆斯那座神秘桥梁的各条道路上，铺下一块垫脚石。
如果你从虚无中什么也得不到，那就试着让虚无不那么空洞，这是最为古老的一块垫脚石。古希腊人认为空间是被叫做充满或者以太的物质填充的。亚里士多德认为以太是世界上第五种恒定的元素，它的稳定性比泥土、空气、火和水还要更加完美和神圣。而真正的虚空却不同于亚里士多德的理论，在他的理解中，人的身体在死后会根据自然界中确定的位置升入天堂或者堕下地狱。然而，虚空可能是完美对称的，从任何角度观察虚空都是一样，它使“上”、“下”这样的绝对空间方向变得毫无意义。亚里士多德指出，以太可以作为宇宙中的指南针，在这个终极的参考坐标系中，所有的运动都是可测量的。对于那些憎恨真空的人来说，以太的存在正好将真空驱除地一点不剩。
古代的以太概念在上千年时间里不曾发生过变化，直到19世纪末被物理学家们重新解释，这其中包括了麦克斯韦，他发现光是一种电磁波，并且以特定的速度传播。问题是，波动是什么，速度的参照物又是什么？以太似乎是一个唾手可得的答案，它不仅为光的传播提供了介质，还像亚里士多德当初所设想的那样，提供了一个参考坐标系，让宇宙万物的变化都可测量。不过，当阿尔伯特•麦克逊和爱德华•莫雷在1887年准备测量由地球转动引起的“以太风”时，他们却空手而归。最终，是爱因斯坦的相对论为以太这个概念彻底地画上了句号。
海森博格的不确定性原理是量子理论的自然之源。（译者注：作者把量子理论比作腐肉中出现的蛆虫，详见“自然发生说”相关内容）
几十年来，我们都将以太视为一种历史的怪诞和倒退。但它的生命力却远超我们的想象。如今，我们可以使用新的形式来一窥究竟，那就是希格斯场，它布满真空，它的场量子化激发就是现在著名的希格斯玻色子。希格斯场是一种标量场，而且是同类场中唯一被实验证明的。这意味着它在空间中每一点的状态都只有一个量(在描述光的场中，每一点存在大小和方向两个量)。这一点十分重要，因为这意味着，不论观察者是静止还是加速状态，这个场对观察者来说都是一样的。
另外，它的量子自旋为零，这保证了从任何角度观察的一致性。自旋是使粒子回到初始状态所需要旋转的量度。对于那些传递力的粒子，比如光子和胶子，它们的自旋为整数，把它们旋转360度后会看起来一样。而像电子和夸克这样的物质粒子，自旋是半整数，因此需要将其旋转两次，即720度，才能看起来一样。但希格斯粒子的自旋为零。无论你怎样转动它都是一样。就好象真空一样。对称即是隐形。
亚里士多德的直觉在现代有了进一步的发展，物理学家们将虚空视为对称的终极状态，这种均匀是如此无情，因为它排除了差异的存在，从而使我们无法对事物进行定义。然而，当物理学家将宇宙的电影胶片倒转，把目光投向历史的深渊时，他们看到现实的不同碎片重新聚合起来，形成一个无限扩张的对称体，它既是宇宙之源，又是虚空。
希格斯粒子之所以享誉世界，是由于它赋予了基本粒子以质量，但这一点掩盖了它真正的意义。毕竟赋予基本粒子以质量这件事并不难，只要将粒子的速度降至光速以下——瞧，质量就有了。问题的难点是，在赋予质量的过程中不破坏原始的对称性。而希格斯场则完成了这个壮举，即使在它的最低能量态，其能量仍然非零。希格斯场的真空期望值是246GeV，由于它在每一点都保持一致，所以我们很难注意到它。只有标量场才可以做到如此的掩人耳目和全身而退。但基本粒子却能发现它。每当有粒子的质量对宇宙的对称性进行了破坏，希格斯粒子就会出现，用真空填补遭到破坏的地方。希格斯粒子总是在背后默默耕耘，保证宇宙的对称性能够金身不破。所以，即便利昂•莱德曼最初曾把它骂做“该死的粒子” （出版商肯定不会答应），人们也应该可以理解（如果真的不能谅解）媒体给它冠以“上帝粒子”这样带有宗教色彩称号的用意吧。
所有这些都表明，希格斯场比其它概念更加接近虚空的本质，比如麦克斯韦的以太。在空白处上色这方面，它确实是我们迄今为止最为先进的画笔。希格斯粒子拥有的非凡对称性使其成为了虚空的伪装，但它自身却并不是虚空的。它具有一定的结构，且能与其它粒子相互作用。它那246GeV的来源仍然是未解之谜。通过希格斯粒子，我们能够向虚空的边界迈进，但却无法跨越。
如果让虚空变得不那么虚空也无法回答文章开头的那个问题，也许我们应该让起因变得不那么像起因。关于这一点，同样也有一段历史。在亚里士多德的时代，腐肉中突然出现的蛆虫导致了自然发生说的流行，人们相信从稀薄的空气中可以长出生命。虚空和存在之间的界线被拿来与生和死、精神和物质、神和人之间的界线进行类比。而这又反过来承载了宗教和信仰的全部，并为我们那充满矛盾的问题提供了一个全面的答案。我们在两千多年间对此深信不疑，直到1864年微生物学家路易斯·巴斯德揭示了其中的道理。所谓“Omne vivum ex vivo ”，即生命来源于生命。于是在随后的几十年间，历史上又多了一个奇谈怪论——自然发生说。如今，它披着量子涨落的羊皮，就像以太那样，再一次回到人们的视野中来。
不确定性使量子涨落成为了没有起因的现象，它是信号中的噪声，是一种原始的静态，它具有本质上的随机性。量子力学的规则允许，事实上是要求，能量（以及质量，根据公式E=mc^2）从无中来。对，就是无中生有，至少看起来就是这样。
海森伯格的不确定性原理是量子理论的自然之源。根据这个理论，某些成对的物理特性是由一种基本的不确定性捆绑在一起的，例如位置和动量、能量和时间，因此当我们越想确定其中一个的时候，另一个就会变得越模糊。它们被统称为共轭对，它们的存在排除了虚空的存在。当对一个空间位置进行追踪的时候，其动量将随之产生巨大的波动，用来抵消由追踪带来的影响；如果要确定更加精确更加细微的时间，能量的变化就会大的难以捉摸。哪怕是在眨眼的瞬间，整个宇宙也能轰轰烈烈地上演一出从诞生到消亡的剧目。只要观察距离足够近，你就会发现我们的世界，还有这平静有序的现实，其实充满了混乱和随机。
只有这些共轭对本身不是随机的：它们成对出现，观察者无法同时对它们进行测量。撇开有关量子涨落的典型描述不谈，世界的“另一边”可不是什么预先存在的现实。实验已多次证明，它可不是存在在那里，而是在等待着什么，没有一丝一毫的不耐烦。量子涨落不是关于存在的描述，它是关于条件的描述。它们并不反映是什么，而是在观察者选择进行某种测量时，反映出可能发生什么。似乎观察者的测量决定了事物的存在。本体论概括了认识论。自然的不确定性就是观察的不确定性。
时空如何能在恰当的时刻演化？要给一个物理系统的所有特征都赋予定值是不可能的，所以当观察者进行测量时，其结果将是完全随机的。在量子效应的微观尺度上，纠缠会对因果链产生重大影响。量子力学的创始人波尔说，“量子力学和因果论是无法相容的。”而爱因斯坦却有句名言，“上帝不掷骰子。”波尔对这句话的回应是，“爱因斯坦，不要告诉上帝该做什么。”
也许抱持因果论的我们才是始作俑者。进化已经将我们训练成因果模式的脑残粉。对于我们那些徜徉在非洲热带草原的祖先来说，从现象中揣摩出原因的本领是区分生与死的重要因素。比如：她吃了那个色彩斑斓的蘑菇，然后就病了；老虎在猛冲之前会先蹲下。口口相传的经验就是生存的保障。不过，自然选择对量子物理毫无用处，我们怎么能预知未来呢？尽管如此，它还是具有一定的意义。因果关系是一种近似的处理方法。而我们跌跌撞撞的思想则对故事充满渴望。
难道就这样了吗？对于为什么有存在的问题，答案就是没有为什么，难道存在就是随机的量子涨落？如果真是这样，那我们就可以把寻求解释这件事抛诸脑后，直接用量子越迁跨越詹姆斯的那座桥。万物是如何从无到有的？没有原因。不幸的是，这个把戏也就这点能耐而已了。宇宙论者笃信量子力学能够自主地产生宇宙，而上述内容却仅仅是在推卸责任。那些法则从何而来？请记住，我们要解释的是事物如何从无到有，而不是事物如何从先前存在的物理法则中演变而来。把因果关系从公式中去掉还远远不够。因为悖论还在。
先有虚空，然后再有存在。时间是这个故事的主角，它是变化的承载者。悖论的答案会否定时间的存在吗？如果真如爱因斯坦说的那样，时间只是一个顽固的幻象，那么我们就可以立刻抛弃一些东西了，抛弃掉从自然法则中诞生的因果论，抛弃掉那些自然法则从何而来的问题。它们没有所谓的起源，因为演化根本就不存在。相关的叙事也变得毫无意义。没有什么故事，也谈不上什么桥。
在人类早期的神话传说中，就已经出现了永恒宇宙（或者由永恒轮回说而来的循环宇宙）概念的身影，比如非洲班图人的神话、澳大利亚土著的“梦幻时光”、阿那克西曼德的宇宙学和印度的《往事书》。从这些神话传说中，我们可以看出永恒的吸引力是如此强大，虚空则根本不是它的对手。
到了现代，这个古老的概念又以稳态理论的面目重回人间，这个理论由詹姆斯·杰恩斯于20世纪20年代创立，后来弗雷德·霍伊尔等人于20世纪40年代将理论进行了优化并逐渐让世人所熟知。他们认为，宇宙正在膨胀，新的物质不断生成并填补空缺，因此从净值上看，宇宙从未发生过变化。这个理论最终被证明是错误的。大爆炸理论代替了它，而所谓永恒也被缩减至仅仅138亿年。
然而在20世纪60年代，永恒宇宙的概念又以一种奇怪的形式浮出水面——公式H(x)|Ψ> = 0。根据爱因斯坦的广义相对论，物理学家约翰·惠勒和布莱斯·德维特尝试将量子力学的不同法则运用于宇宙这个整体之上，他们共同创造了这个公式，因此它又被称为惠勒-德维特公式，虽然德维特更喜欢把它叫做“该死的公式”（这和该死的粒子无关）。这里面值得注意的是公式中等号右边的0。系统的总体能量等于0。时间没有演进。什么都没有发生。最终，问题会归结到爱因斯坦的四维宇宙时空，这是一个空间和时间的结合体。同时，量子力学要求物理系统的波函数随时间演变。但时空如何能在对的时刻进行演化呢？这是一个恼人的两难问题——如果用量子力学对宇宙进行描述，那它将处于冻结的状态。惠勒-德维特公式是一个倒转的稳态宇宙学。根据这个公式，我们将会发现自己处于一个并不存在的宇宙之中，而不是一个永恒的宇宙。
观察者将现实一分为二。 就其本身而言，惠勒-德维特公式优雅地解决我们的问题。万物如何从无中生有？从未有过。当然，对于身在此山中的我们来说，这实在是一个令人费解的答案。
这就是问题的关键。在量子力学中，如果观察者不进行任何测量，什么也不会发生（观察者可以是人，也可以是粒子的其它任何形态）。当把宇宙作为一个整体来看时，观察者是不存在。因为没有人能站在宇宙之外。作为整体的宇宙将被困在一个永恒的瞬间。只不过在宇宙内部看起来情况会有所不同。
在宇宙内部，观察者无法对宇宙进行测量，而由于观察者也无法观察自己，基于这一简单但也深刻的事实，他必须把现实分为观察者和被观察者两个部分。正如物理学家拉斐尔·布索所说，“显然，在自由度的数量方面，测量仪器必须至少与被观察系统的量子态保持一致。”科学哲学家托马斯·布鲁尔曾引用哥德尔的话来强调这一点：“身处系统中的观察者无法获取或存储足够的信息来区分系统的所有状态。”
作为观察者，我们将永远被困在谜题之中，我们能够看见的只是其中的很小一部分。而这也许就是我们的救赎之门。当宇宙被分为两个部分，等号右边的零会获得一个新的值。于是事物开始变化，物理现象开始发生，时间开始流动。你甚至会说，宇宙诞生了。
如果这听起来像是反向因果论（就是未来的事件影响过去的事件），那就对了。这种奇怪的反向时间就是量子理论的要求。惠勒用他著名的延迟选择实验对这一点进行了强调，这个实验最早只是他的一个思想实验，后来在实验室里得到了证实。在延迟选择实验中，观察者目前的测量行为决定了粒子在过去的行为，这里说的“过去”可以回溯上百万年，甚至138亿年。所以，因果链是首尾相接的，詹姆斯的桥其实就是一个循环。
那么，存在是否可能就是虚无从宇宙内部观察到的样子呢？如果真是这样，我们对虚无的不安感也许有某种深刻的含义：这是我们人类天性中对虚无的反冲，也许我们人类有限的视角将会是最终解决悖论问题的关键。