生命是宇宙的偶然嗎檢視原始碼討論檢視歷史
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內容簡介
宇宙一開始只有幾種基礎粒子和幾條簡單規則，竟演進到精巧地適宜生命的存在——這本小書嘗試破解這個奇妙的謎題。作者提供了一個全新的視角來看待宇宙，認為宇宙並非於久遠之前即宣告誕生，而是一直處於不斷創造中，並且謹慎地推測：生命的誕生，宇宙很可能早就計劃好了。過程中，作者融合了當今前沿的科學研究成果，明確了我們對宇宙的許多日常認識，幫助我們以更全面的視角來看待宇宙乃至生命本身。作者文風通俗易懂，將科學奧秘如講故事般娓娓道來，富有詩意和哲學意味。
作者簡介
羅伊·古爾德（Roy Gould），美國天體物理學家、科普作家，現在哈佛-史密松森天體物理中心擔任首席研究員兼教育分析師。古爾德不僅專注於天體物理研究，還長期致力於進行大眾科普，曾在波士頓科學博物館做了十年的策展人。哈佛-史密松森中心是全球頂尖的天體物理研究和教學機構，由哈佛大學天文台與史密松森天體物理台聯合組成，是黑洞前沿科學團隊的核心成員之一，2017年問世的人類第一張黑洞照片就出自該科學團隊之手。
譯者簡介
陳海濱，畢業於南京師範大學外文系，資深英語譯者，科普、社科愛好者，尤擅長非虛構如科普、心理、傳記類作品，譯著有《動機與人格》《回歸之路》《克隆版大腦》等。
書評
北京時間10月4日下午，瑞典首都斯德哥爾摩，瑞典皇家科學院宣布，將2022年諾貝爾物理學獎授予法國物理學家阿蘭·阿斯佩、美國理論和實驗物理學家約翰·弗朗西斯·克勞澤、奧地利物理學家安東·塞林格，以表彰他們在量子信息科學研究方面作出的貢獻。
2022年諾貝爾物理學獎
他們通過光子糾纏實驗，確定貝爾不等式在量子世界中不成立，同時也證明愛因斯坦的隱變量理論是錯誤的。上帝也擲骰子。
這時，肯定有人會問：「愛因斯坦也會犯錯誤嗎？」
是的，愛因斯坦錯了，而且不止錯過一次。
其實，犯錯誤在物理學界是一種普遍現場。就連創造了「微積分」、發現了「萬有引力公式」的人類最偉大的物理學家牛頓也不能例外。
牛頓固執地認為，空間是「絕對的」，宇宙擁有上帝賦予的尺度，不管在哪裡，尺子的長度都相同。它在地球上多長，在月球上也是多長。你給它換一個地方，它也不會突然縮短或變長。
如果你問：「尺子為什麼要是這個長度，為什麼不能更長或更短呢？」
牛頓會回答，因為上帝發明尺子的時候就是這樣的。
牛頓堅持這一觀點，可能有兩個原因。第一，這看起來似乎是顯而易見的。不管你是穿過房間，還是坐船駛往澳大利亞，你看起來都沒有變矮。第二，牛頓精心構建起來的物理學，需要一個恆定可靠的空間作為背景。在這個背景下，距離尺度處處相同，質量、長度和時間沒有任何關係，它們都是完全相互獨立的物理量。
根據牛頓的說法，不論你的質量有多大（哪怕你重如太陽），你周圍的時間和空間都不會受到一丁點兒影響。
在牛頓生活的時代，沒有任何實驗可以證偽他的觀點。但是，與宇宙相比，地球再怎麼看都是微不足道的。一顆微小塵埃上正確的規律，未必在整個星系的尺度上正確。
蘋果的墜落，炮彈落地的拋物線，牛頓的時空模型不但成功描述了地球上的自然現象，也適用於金星、火星、木星、土星、天王星和海王星，能夠對這些行星的軌道進行精確描述。但是，在離太陽最近的水星出現了微小的偏差——不到1%，再小也是偏差。
又過了二百多年，這微小的偏差改變了我們對於空間以及時間的一切認知。愛因斯坦發現，質量、長度和時間並不是相互獨立的。質量會讓附近的物體長度和時間流逝發生改變。也就是說，太陽的質量讓水星經過的時間和空間發生了變形。
愛因斯坦建立了一個將空間、時間和物質統一在同一框架下的新引力模型，一個既能遵循能量守恆定律，又能完美解釋水星軌道偏差的引力描述。
一個好的科學模型能夠解釋我們在自然界中實際觀察到的現象，而一個真正偉大的科學模型能夠做出令我們意想不到的預測，它能告訴我們大自然不為人知的秘密，那些可能永遠也猜不到，即使猜到了也不會相信的秘密。
宇宙正在膨脹
1916年，愛因斯坦將他的新引力模型應用於整個宇宙，得到了一個極其詭異的結論——宇宙正在膨脹。愛因斯坦認為自己得出這個結論太荒謬了，我們周圍的太空看起來是如此穩定，幾千年前的古文明所記錄的恆星星座和今天所看到的毫無二致。
愛因斯坦的直覺告訴他，宇宙是亘古不變的。於是，愛因斯坦為了不讓宇宙成為正在膨脹或坍縮的宇宙，在他的廣義相對論「引力場方程中」加入了一個額外項（宇宙常數Λ）。
今天，當我們回顧過去，會驚嘆物理學竟然能預測出像宇宙膨脹這樣非凡的自然現象。我們以為科學革命改變我們的世界觀是突然發生的。然而，科學家在本質上都是保守的，並傾向於懷疑一切。他們確實也應該如此。不尋常的主張就需要不尋常的證據，因此實際的思想轉變過程可能會出奇的緩慢。
數年以後，愛因斯坦將自己修正原始方程加入宇宙常數的決定稱為「我一生中最大的錯誤」。但在當初，人類不知道銀河系之外還有其它星系，「宇宙正在膨脹」這種由引力模型推導出的詭異結論，是對直覺的巨大挑戰，在沒有準確的觀測數據前，換了誰都會難以接受。
事實上，如果說錯失預言「宇宙膨脹」的機會是情有可原，那麼愛因斯坦晚年在「大統一理論」上的固執就太讓人唏噓了。
很多人還在質疑相對論真實性的時候，愛因斯坦已經悄然變成了如牛頓一般的「反派」，扮演着與當年那些妄圖推翻相對論的人相似的角色。
1927年，第五屆索爾維會議在比利時布魯塞爾召開。
第五屆索爾維會議物理學全明星照片
當時的物理學界分成了三派，以布拉格、康普頓為首的實驗派，以玻爾、海森堡為首的哥本哈根學派，以愛因斯坦、薛定諤為代表的經典物理學派。他們從光子和電子出發，展開了關於量子力學的激烈交鋒，從波函數到測不準原理，從時空因果律到量子糾纏，最終玻爾經受住考驗，哥本哈根學派獲得了勝利。
哥本哈根學派認為，量子世界不存在因果律。微觀粒子具有不確定性，處於一種波函數的疊加態，直到我們去測量它，才導致波函數坍縮，迫使粒子處於某個位置或某種運動狀態。
愛因斯坦則認為，波函數不能精確預測粒子的狀態，只能算出一個概率，這就意味着目前的量子力學是不完備的，還存在一個可以幫助我們避免任何不確定性或隨機性的隱變量。這一觀點也被稱為隱變量理論。
1935年，愛因斯坦與波多爾斯基、羅森共同提出「EPR佯謬」試圖證明量子力學的不完備性。他們提出了一種叫「量子糾纏」的假想實驗，用特殊方式製造出一對量子態相互關聯的粒子，一個左旋，另一個就必然是右旋。按照哥本哈根學派的理論，兩個粒子的狀態只有被測量後才能確定，現在把這兩個粒子拉開足夠遠，比如一光年，這時測量其中一個粒子得到一個值，另一個粒子的波函數就會同時坍縮，得到一個相反的值。
那麼問題來了，這兩個粒子相距一光年，信息傳遞不能超光速，一個粒子是怎麼把自己的狀態瞬時傳遞給另一個粒子的？這就違反了相對論中的光速不可超越理論。
因此，愛因斯坦篤定地認為，在我們測量前這對粒子的狀態就是確定的，我相信上帝不擲骰子。
玻爾的回應很有意思。他說，你不可以決定上帝怎麼做，上帝不光扔骰子，他還把骰子扔到你看不見的地方。
他們各執己見，吵來吵去，一直吵到相繼去世也沒有分出勝負。
直到1964年，愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾提出了一個跨時代的不等式。貝爾不等式的出現，讓原本只能在哲學上進行判斷的思維實驗有了實驗驗證的可能性。
講到這兒，我們終於可以回到文章開頭的2022年諾貝爾物理學獎。
三位獲獎者通過光子糾纏實驗，確定貝爾不等式在量子世界中不成立，表明玻爾的量子理論正確，隱變量理論不成立，愛因斯坦錯了。
這次的諾獎頒給了光子糾纏實驗，這就意味着我們這個世界是「非定域性」的。
愛因斯坦對物理學有一個樸素的概念，上帝不擲骰子。描述世界的物理規律不應該人為地引入隨機性，所以愛因斯坦拚命想找到玻爾的漏洞，甚至在其後半生，三十年如一日地試圖用廣義相對論去統一量子力學，試圖為微觀世界發生的詭異現象找到一個符合經典物理學定域性原理的合理解釋。
弦理論是最有可能統一量子力學和廣義相對論的「量子引力理論」的候選者
在經典理論中，牛頓力學、麥克斯韋電磁學和愛因斯坦廣義相對論，這些理論都告訴我們，客觀世界是定域性的，只要我們知道所有粒子的初始位置和動量，只要我們的算力足夠大，我們就可以準確算出宇宙在未來每一個時刻的狀態。
言外之意，我們這個世界的隨機都是假隨機。比如，你現在拋硬幣，你認為硬幣落地時正反面的概率各占50%，你覺得這是一個隨機事件，其實並非如此。在經典理論中，只要我們知道硬幣出手時的狀態，知道周圍環境的詳細參數，知道空氣與硬幣、地面與硬幣等等所有相互作用的過程，就可以準確算出硬幣落地時是正面還是反面。
但是，獲得諾獎的「光子糾纏實驗」證明在量子世界中出現的隨機事件是真隨機，和你算力的大小沒有任何關係，量子力學從最底層否定了經典世界的確定性，微觀粒子的確是測不準的。這就意味着，如果我們不去測量，我們就無法準確知道宇宙中任何一個粒子的狀態，因此我們這個宇宙本身就充滿了不確定性，是非定域性的。
愛因斯坦太固執了，他沒有意識到以「定域性」為基礎的廣義相對論與以「非定域性」為基礎的量子力學在本質上存在矛盾。
在量子力學中，一個量子系統可以由同一個波函數描述，那麼這個量子系統就是一個整體，信息傳遞不受距離的限制可以超光速，這就是所謂的量子糾纏。但在相對論中，所有的信息傳遞都必須受光速的限制。
在量子場論中，引力和其它三種作用力（電磁力、強力、弱力）都是量子化的，是一種相互作用，但在廣義相對論中，引力是幾何化的，是質量導致時空扭曲的效應。在量子場論中，一個量子的量子態除了四維時空以外，還存在其它維度空間，但在廣義相對論中只討論四維時空。由此可見，這兩種理論的描述方式完全不同，數學基礎和空間維度也不一樣。
事實上，量子理論是一場比廣義相對論還要深刻的革命。它的出現，讓我們的世界變得比想象中的更複雜，更精彩。愛因斯坦卻緊抱經典物理學定域性原理不放，排斥量子理論，註定是一場徒勞。
正如2022諾獎獲得者阿蘭·阿斯佩所說：「我們目前的理論基本解釋了事情是如何發生的，我們說一切始於宇宙大爆炸，所有事情都好像寫在一本宏大的書里，發生的一切都是在很久很久之前的大爆炸時，或者隨便哪個時間就已經決定了。目前對於這些沒什麼爭論，但如果你認為世界就是這樣的，這意味着你沒有自由意志，那我不會想研究物理了。」
羅伊·古爾德《生命是宇宙的偶然嗎》
在《生命是宇宙的偶然嗎》這本書中，有這樣一段論述：
宇宙是一個懂得授權的造物者。它將創造的權力移交給恆星，這些恆星生產出化學元素，還扮演着培育者的角色，為這些化學元素組成的生命保駕護航。
然後，恆星又將創造的權力移交給活細胞的生命機制，這種生命機制所創造的每一種生命是如此脆弱，總能被輕易摧毀，然而這些生命卻頑強地填滿了我們星球上的每一個角落。
現在，這種生命機制居然又將創造的權力移交到我們手上。
其實，上帝是否擲骰子與是否存在並不重要。
我們所知道的關於宇宙的一切，都來自我們自己的感知和感覺，來自我們自己的意識、觀察以及推理，來自我們的記憶，來自我們人類特有的時間感以及歷史長河的流動。我們建造了宇宙，就像它建造了我們一樣。我們是宇宙故事不可分割的一部分，這已經足夠了。