霍金的宇宙

■刘岩

霍金被认为是当代最杰出的理论物理学家，他撰写的科普著作《时间简史》创造了科普书籍发行的世界纪录。

从20世纪60年代起，霍金就致力于把20世纪物理学的两大奠基理论——量子理论和相对论——整合到一起，从而为新物理学找到入口。但是，量子理论和相对论是否可以走到一起呢？霍金也难以判定。在20世纪90年代，霍金发出这样的感叹：量子理论和相对论是水和油一样不相融的。

那么，真实的物理世界应该是什么样子的呢？要回答这个问题，必须分析量子理论和相对论的基础。

量子理论的基础

关于量子理论的基础，在20世纪20年代之前，大多数古典式的物理学家（包括爱因斯坦）都持怀疑态度，原因主要来自光子的奇异性质。试想，在双缝实验中，大量光子可形成衍射图案，这种图案有着精确的、可量化描述的特征。但是，当减少进入双缝的光子数目时，光子就在投影板上形成了随机的、无规则的乱点，这对于认为物理学是“决定论”的古典物理学是最沉重的打击。所以，包括爱因斯坦在内的大多数古典式物理学家都认为，当时的量子理论有缺陷，物理世界应该是一个完全的“决定论”的世界，“因果论”在任何物理体系中都起作用。而将“概率”引入物理学正是量子理论的一大特征，是物理学的悲剧。

但同一时代的以丹麦物理学家玻尔为首的“哥本哈根”学派却不这样认为。他们认为，将“概率”引进物理学并不奇怪，这就像当年牛顿将微积分引入动力学世界一样自然。

为此，到了20世纪30年代，爱因斯坦和玻尔之间爆发了几场震动当时整个欧洲物理学界的争论。在当时，谁也说服不了谁，但大多数新生派的物理学家，包括海森堡、德布罗意、薛定谔站在了玻尔一边。

为了把“概率”解释驱逐出量子理论，爱因斯坦设想出一个方案，那就是在量子理论的背后，也就是“概率”的背后，一定隐藏了一个尚未知的物理机制，决定了量子的“概率”特征。爱因斯坦还为这个尚未知的机制取了个名字，叫“隐变量”。同时，爱因斯坦又不失时机地挑战玻尔，称玻尔的量子理论的“概率解释”，就如同给一个正在打盹的人送了一个软枕头，物理学将从此进入睡眠状态，“概率”就是什么也不知道。

面对爱因斯坦的此番言论，玻尔只好休兵，无言以对，同时也承认了将“概率”引入物理学是权宜之计。但是关于“隐变量”之说，玻尔并不接受。

转眼间，时间到了20世纪60年代。贝尔将爱因斯坦的“隐变量”理论模型化，提出了著名的“贝尔不等式”，用双光子实验就可以验证这个不等式。一旦被验证，爱因斯坦和玻尔孰是孰非就可以有定论了。

到了20世纪80年代，光电子技术的进步使得验证“贝尔不等式”成为可能。法国物理学家阿兰·阿斯派首先做出了漂亮的实验，随后著名女物理学家吴健雄领导的小组也跟进，实验结果同样支持前者的结论。此后，又有几个小组做了类似的实验，结果都是一致的。实验结果支持了玻尔的观点，爱因斯坦的“隐变量理论”是错误的。至此，人类才清楚知道，在量子世界中，不确定性是个普遍的规律。

既然将概率引进物理学是一种必然选择，那么，为什么在微观世界中，自然界是受“概率”支配的？这方面的物理机制是什么？问题至今没有答案。有人说，是人类的数学知识太贫乏，无法描述单个量子个体，如单个光子的运动。又有人说，也许在微观世界中，决定论本身就不存在。谁的观点正确？至今仍是一团迷雾。

抛开量子理论发展史上的这些争论，将视线转入量子理论自身，我们会发现，量子理论正如爱因斯坦所说的，意味着物理学的终结。任何学过概率论的人都知道，在概率世界中，只有大量宏观元素的结果，而具体到个体，是未知的。这就如同你抛掷一个硬币，虽然抛掷成千上万次后你可以得出正反面出现的概率是1∶1的结果，但是，具体到每一次抛掷，你永远不会知道结果。

而量子理论的“概率”特征，也正是如此。从分析学的角度看，人类认识自然界的方法就是无限分解。但在量子理论中，你却无法实施，因为，一旦你分解到粒子的个体，这个个体的行为你是一无所知的，而知道的仅仅是大量实现个体的整体情况，如干涉、衍射等等。

因此，从物理学认识论的角度看，爱因斯坦似乎比玻尔看得更远。爱因斯坦的担心是纵观物理学发展的一个深层次的问题，而玻尔的一时胜利仅仅是技术上的胜利，只是猜对了当前量子理论的特征——“概率”——是不可缺少的单元，但是，“概率”之后的物理学应该是什么，玻尔却无法回答。所以，玻尔对量子理论的所谓“哥本哈根”解释，也是一种万般无奈的折中。

相对论的基础

当代物理学家一直认为相对论的基础是最牢固的，因为它是建立在安全的“因果论”基础上的动力学理论，而动力学又是人类最早认识和发展最完善的理论。但是，这种乐观实际上也是危机四伏的。

相对论给人的最大印象是所有的宏观物体的运动速度不会超过光速。而光速只有30万千米/秒，试想其他星球的高智慧生命会用如此速度造访地球？所以，从这个质疑出发，相对论的基础就大打折扣了。如果说量子理论将“概率”，也就是爱因斯坦痛恨的“不可知论”引入了物理学，那么，相对论就是将运动速度不会超过光速的枷锁强加于运动学。

其实，早在20世纪30年代，在天文观测中人们就发现一些遥远星系的运动可能超过光速。到了60年代，已有确凿的证据显示，在宇宙的边缘地带，大多数星系的运行速度是超光速的，仅仅依靠它们的红移就可以轻而易举地计算出来。而最近，欧洲核子研究中心又爆出中微子的运动速度超过光速的消息。这些新的实验结果，对相对论而言都是极具挑战的。

时至今日，物理学家并没有任何修改相对论的念头，相反，还是在维护相对论至高无上的地位。这是很危险的惰性思维，就如同当年玻尔兹曼为了维护经典力学而拒绝承认量子理论一样。

在相对论一路高歌猛进的20世纪30年代，就开始有人质疑相对论的权威性。时至今日，仍然有人质疑这一理论。如有学者建议将光速不变的概念改写，修改成在一个闭合的运动区间内，光速不变对应一个路径积分等等。综观这些质疑和修改，几乎还都是在相对论自身的理论框架内打转，没有涉及相对论自身的脆弱之处。

相对论最大的不足就像瑞士学者在20世纪30年代质疑的那样，是用牛顿的经典动力学理论重新表述运动学，确切地讲是“电动力学”。其实爱因斯坦在1905年发表的关于狭义相对论的原始论文的题目本身就讲得很清楚，他的论文的目的是建立一个“运动物体的电动力学”，说白了，就是协调麦克斯韦的电磁理论和牛顿运动定律之间的不协调、不对称。现在，许多物理学家已认识到，相对论的不足在于它的基础，也就是保留牛顿力学运动学规律。这是相对论最致命的缺陷。

其实，在麦克斯韦的电磁理论建立之后，电动力学完全可以尝试放弃牛顿运动学理论，将运动学直接建立在电磁理论的基础上。据说，当时已近晚年的麦克斯韦曾尝试做过，但是，不知是什么原因使他最终放弃了。实际上爱因斯坦在1905年的工作并不是麦克斯韦工作的延续，而是一种“倒退”。用牛顿理论变换电动力学看似走了捷径，但是，最终的代价是“运动不能超光速”。

霍金的宇宙是什么？

当霍金在20世纪60年代步入物理学大门时，人类还没有深入到量子理论和相对论的层次。进入20世纪80年代后，越来越多的证据显示出这两大理论基础的脆弱时，霍金在20世纪60年代的工作却是完全建立在相对论和量子理论基础之上的。因此，霍金的迷人理论，只能被认为是人类物理学认识道路上的残品。他所预言的什么“黑洞蒸发”等至今没有实验证据，而其他的预言更是没有被验证。

所以，西方比较清醒的物理学家如此评价霍金：“他是20世纪爱因斯坦理念的最大信徒。”这句半讽刺的话，实际上说明了当代理论物理学家已经认识到了爱因斯坦相对论基础的脆弱。可以这样说，在霍金的宇宙中仍然是以量子理论和相对论为基础的一个旧世界，新物理学世界的大门远未被开启。

人类科学的进步总是以旧理论被新理论取代而告终，这主要得益于实验科学的进步。在霍金的宇宙中，世界图景并没有变得清晰起来，原因是他的理论基础仍然是建立在被21世纪新一代理论物理学家质疑的两大理论——量子理论和相对论——基础上的。人类要走出霍金的宇宙，突破20世纪的这两大奠基理论是唯一的选择。