生命是宇宙的偶然吗查看源代码讨论查看历史
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内容简介
宇宙一开始只有几种基础粒子和几条简单规则，竟演进到精巧地适宜生命的存在——这本小书尝试破解这个奇妙的谜题。作者提供了一个全新的视角来看待宇宙，认为宇宙并非于久远之前即宣告诞生，而是一直处于不断创造中，并且谨慎地推测：生命的诞生，宇宙很可能早就计划好了。过程中，作者融合了当今前沿的科学研究成果，明确了我们对宇宙的许多日常认识，帮助我们以更全面的视角来看待宇宙乃至生命本身。作者文风通俗易懂，将科学奥秘如讲故事般娓娓道来，富有诗意和哲学意味。
作者简介
罗伊·古尔德（Roy Gould），美国天体物理学家、科普作家，现在哈佛-史密松森天体物理中心担任首席研究员兼教育分析师。古尔德不仅专注于天体物理研究，还长期致力于进行大众科普，曾在波士顿科学博物馆做了十年的策展人。哈佛-史密松森中心是全球顶尖的天体物理研究和教学机构，由哈佛大学天文台与史密松森天体物理台联合组成，是黑洞前沿科学团队的核心成员之一，2017年问世的人类第一张黑洞照片就出自该科学团队之手。
译者简介
陈海滨，毕业于南京师范大学外文系，资深英语译者，科普、社科爱好者，尤擅长非虚构如科普、心理、传记类作品，译著有《动机与人格》《回归之路》《克隆版大脑》等。
书评
北京时间10月4日下午，瑞典首都斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院宣布，将2022年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿兰·阿斯佩、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽、奥地利物理学家安东·塞林格，以表彰他们在量子信息科学研究方面作出的贡献。
2022年诺贝尔物理学奖
他们通过光子纠缠实验，确定贝尔不等式在量子世界中不成立，同时也证明爱因斯坦的隐变量理论是错误的。上帝也掷骰子。
这时，肯定有人会问：“爱因斯坦也会犯错误吗？”
是的，爱因斯坦错了，而且不止错过一次。
其实，犯错误在物理学界是一种普遍现场。就连创造了“微积分”、发现了“万有引力公式”的人类最伟大的物理学家牛顿也不能例外。
牛顿固执地认为，空间是“绝对的”，宇宙拥有上帝赋予的尺度，不管在哪里，尺子的长度都相同。它在地球上多长，在月球上也是多长。你给它换一个地方，它也不会突然缩短或变长。
如果你问：“尺子为什么要是这个长度，为什么不能更长或更短呢？”
牛顿会回答，因为上帝发明尺子的时候就是这样的。
牛顿坚持这一观点，可能有两个原因。第一，这看起来似乎是显而易见的。不管你是穿过房间，还是坐船驶往澳大利亚，你看起来都没有变矮。第二，牛顿精心构建起来的物理学，需要一个恒定可靠的空间作为背景。在这个背景下，距离尺度处处相同，质量、长度和时间没有任何关系，它们都是完全相互独立的物理量。
根据牛顿的说法，不论你的质量有多大（哪怕你重如太阳），你周围的时间和空间都不会受到一丁点儿影响。
在牛顿生活的时代，没有任何实验可以证伪他的观点。但是，与宇宙相比，地球再怎么看都是微不足道的。一颗微小尘埃上正确的规律，未必在整个星系的尺度上正确。
苹果的坠落，炮弹落地的抛物线，牛顿的时空模型不但成功描述了地球上的自然现象，也适用于金星、火星、木星、土星、天王星和海王星，能够对这些行星的轨道进行精确描述。但是，在离太阳最近的水星出现了微小的偏差——不到1%，再小也是偏差。
又过了二百多年，这微小的偏差改变了我们对于空间以及时间的一切认知。爱因斯坦发现，质量、长度和时间并不是相互独立的。质量会让附近的物体长度和时间流逝发生改变。也就是说，太阳的质量让水星经过的时间和空间发生了变形。
爱因斯坦建立了一个将空间、时间和物质统一在同一框架下的新引力模型，一个既能遵循能量守恒定律，又能完美解释水星轨道偏差的引力描述。
一个好的科学模型能够解释我们在自然界中实际观察到的现象，而一个真正伟大的科学模型能够做出令我们意想不到的预测，它能告诉我们大自然不为人知的秘密，那些可能永远也猜不到，即使猜到了也不会相信的秘密。
宇宙正在膨胀
1916年，爱因斯坦将他的新引力模型应用于整个宇宙，得到了一个极其诡异的结论——宇宙正在膨胀。爱因斯坦认为自己得出这个结论太荒谬了，我们周围的太空看起来是如此稳定，几千年前的古文明所记录的恒星星座和今天所看到的毫无二致。
爱因斯坦的直觉告诉他，宇宙是亘古不变的。于是，爱因斯坦为了不让宇宙成为正在膨胀或坍缩的宇宙，在他的广义相对论“引力场方程中”加入了一个额外项（宇宙常数Λ）。
今天，当我们回顾过去，会惊叹物理学竟然能预测出像宇宙膨胀这样非凡的自然现象。我们以为科学革命改变我们的世界观是突然发生的。然而，科学家在本质上都是保守的，并倾向于怀疑一切。他们确实也应该如此。不寻常的主张就需要不寻常的证据，因此实际的思想转变过程可能会出奇的缓慢。
数年以后，爱因斯坦将自己修正原始方程加入宇宙常数的决定称为“我一生中最大的错误”。但在当初，人类不知道银河系之外还有其它星系，“宇宙正在膨胀”这种由引力模型推导出的诡异结论，是对直觉的巨大挑战，在没有准确的观测数据前，换了谁都会难以接受。
事实上，如果说错失预言“宇宙膨胀”的机会是情有可原，那么爱因斯坦晚年在“大统一理论”上的固执就太让人唏嘘了。
很多人还在质疑相对论真实性的时候，爱因斯坦已经悄然变成了如牛顿一般的“反派”，扮演着与当年那些妄图推翻相对论的人相似的角色。
1927年，第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开。
第五届索尔维会议物理学全明星照片
当时的物理学界分成了三派，以布拉格、康普顿为首的实验派，以玻尔、海森堡为首的哥本哈根学派，以爱因斯坦、薛定谔为代表的经典物理学派。他们从光子和电子出发，展开了关于量子力学的激烈交锋，从波函数到测不准原理，从时空因果律到量子纠缠，最终玻尔经受住考验，哥本哈根学派获得了胜利。
哥本哈根学派认为，量子世界不存在因果律。微观粒子具有不确定性，处于一种波函数的叠加态，直到我们去测量它，才导致波函数坍缩，迫使粒子处于某个位置或某种运动状态。
爱因斯坦则认为，波函数不能精确预测粒子的状态，只能算出一个概率，这就意味着目前的量子力学是不完备的，还存在一个可以帮助我们避免任何不确定性或随机性的隐变量。这一观点也被称为隐变量理论。
1935年，爱因斯坦与波多尔斯基、罗森共同提出“EPR佯谬”试图证明量子力学的不完备性。他们提出了一种叫“量子纠缠”的假想实验，用特殊方式制造出一对量子态相互关联的粒子，一个左旋，另一个就必然是右旋。按照哥本哈根学派的理论，两个粒子的状态只有被测量后才能确定，现在把这两个粒子拉开足够远，比如一光年，这时测量其中一个粒子得到一个值，另一个粒子的波函数就会同时坍缩，得到一个相反的值。
那么问题来了，这两个粒子相距一光年，信息传递不能超光速，一个粒子是怎么把自己的状态瞬时传递给另一个粒子的？这就违反了相对论中的光速不可超越理论。
因此，爱因斯坦笃定地认为，在我们测量前这对粒子的状态就是确定的，我相信上帝不掷骰子。
玻尔的回应很有意思。他说，你不可以决定上帝怎么做，上帝不光扔骰子，他还把骰子扔到你看不见的地方。
他们各执己见，吵来吵去，一直吵到相继去世也没有分出胜负。
直到1964年，爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔提出了一个跨时代的不等式。贝尔不等式的出现，让原本只能在哲学上进行判断的思维实验有了实验验证的可能性。
讲到这儿，我们终于可以回到文章开头的2022年诺贝尔物理学奖。
三位获奖者通过光子纠缠实验，确定贝尔不等式在量子世界中不成立，表明玻尔的量子理论正确，隐变量理论不成立，爱因斯坦错了。
这次的诺奖颁给了光子纠缠实验，这就意味着我们这个世界是“非定域性”的。
爱因斯坦对物理学有一个朴素的概念，上帝不掷骰子。描述世界的物理规律不应该人为地引入随机性，所以爱因斯坦拼命想找到玻尔的漏洞，甚至在其后半生，三十年如一日地试图用广义相对论去统一量子力学，试图为微观世界发生的诡异现象找到一个符合经典物理学定域性原理的合理解释。
弦理论是最有可能统一量子力学和广义相对论的“量子引力理论”的候选者
在经典理论中，牛顿力学、麦克斯韦电磁学和爱因斯坦广义相对论，这些理论都告诉我们，客观世界是定域性的，只要我们知道所有粒子的初始位置和动量，只要我们的算力足够大，我们就可以准确算出宇宙在未来每一个时刻的状态。
言外之意，我们这个世界的随机都是假随机。比如，你现在抛硬币，你认为硬币落地时正反面的概率各占50%，你觉得这是一个随机事件，其实并非如此。在经典理论中，只要我们知道硬币出手时的状态，知道周围环境的详细参数，知道空气与硬币、地面与硬币等等所有相互作用的过程，就可以准确算出硬币落地时是正面还是反面。
但是，获得诺奖的“光子纠缠实验”证明在量子世界中出现的随机事件是真随机，和你算力的大小没有任何关系，量子力学从最底层否定了经典世界的确定性，微观粒子的确是测不准的。这就意味着，如果我们不去测量，我们就无法准确知道宇宙中任何一个粒子的状态，因此我们这个宇宙本身就充满了不确定性，是非定域性的。
爱因斯坦太固执了，他没有意识到以“定域性”为基础的广义相对论与以“非定域性”为基础的量子力学在本质上存在矛盾。
在量子力学中，一个量子系统可以由同一个波函数描述，那么这个量子系统就是一个整体，信息传递不受距离的限制可以超光速，这就是所谓的量子纠缠。但在相对论中，所有的信息传递都必须受光速的限制。
在量子场论中，引力和其它三种作用力（电磁力、强力、弱力）都是量子化的，是一种相互作用，但在广义相对论中，引力是几何化的，是质量导致时空扭曲的效应。在量子场论中，一个量子的量子态除了四维时空以外，还存在其它维度空间，但在广义相对论中只讨论四维时空。由此可见，这两种理论的描述方式完全不同，数学基础和空间维度也不一样。
事实上，量子理论是一场比广义相对论还要深刻的革命。它的出现，让我们的世界变得比想象中的更复杂，更精彩。爱因斯坦却紧抱经典物理学定域性原理不放，排斥量子理论，注定是一场徒劳。
正如2022诺奖获得者阿兰·阿斯佩所说：“我们目前的理论基本解释了事情是如何发生的，我们说一切始于宇宙大爆炸，所有事情都好像写在一本宏大的书里，发生的一切都是在很久很久之前的大爆炸时，或者随便哪个时间就已经决定了。目前对于这些没什么争论，但如果你认为世界就是这样的，这意味着你没有自由意志，那我不会想研究物理了。”
罗伊·古尔德《生命是宇宙的偶然吗》
在《生命是宇宙的偶然吗》这本书中，有这样一段论述：
宇宙是一个懂得授权的造物者。它将创造的权力移交给恒星，这些恒星生产出化学元素，还扮演着培育者的角色，为这些化学元素组成的生命保驾护航。
然后，恒星又将创造的权力移交给活细胞的生命机制，这种生命机制所创造的每一种生命是如此脆弱，总能被轻易摧毁，然而这些生命却顽强地填满了我们星球上的每一个角落。
现在，这种生命机制居然又将创造的权力移交到我们手上。
其实，上帝是否掷骰子与是否存在并不重要。
我们所知道的关于宇宙的一切，都来自我们自己的感知和感觉，来自我们自己的意识、观察以及推理，来自我们的记忆，来自我们人类特有的时间感以及历史长河的流动。我们建造了宇宙，就像它建造了我们一样。我们是宇宙故事不可分割的一部分，这已经足够了。