大设计 Aug, 2017
自从高中收到一本作为生日礼物， 时隔多年重读霍金的《大设计》， 颇有感触，想记下一点东西。 《大设计》是一部关于近代物理学对终极问题的探索成果以及霍金对此的哲学思考的书， 英文书名《The Grand Design》更能体现这其中神圣而伟大的意味。 近代物理尤其是量子论的发展使得科学界对终极问题的认识远远领先于哲学界。 为什么存在实在之物而非一无所有？ 我们为什么存在？ 《大设计》试图站在科学的角度来解释这些问题。
定律规则
定律的定义
我们的祖先使用神话和神学来解释这个世界， 甚至牛顿在发现了今天仍在被广泛使用的牛顿三大定律之后还认为是上帝设计了这些自然定律。 今天大多数科学家会说自然定律是一种基于观察到的规律以及为超过它所基于的直接情形提供预言的规则。 自然定律可以是在一族约定的条件下成立， 比如虽然我们现在知道牛顿定律在物体接近光速运动时必须被修正， 但是它依然提供了日常生活中很好的近似。
如果自然由定律制约，那么
- 定律的起源是什么？
- 定律存在任何例外，或者说奇迹么？
- 是否可能只存在一族定律？
神学家、哲学家、科学家对于这些问题给出了不同的答案。
上帝与奇迹
对于第一个问题的传统答案认为定律是上帝的杰作。 但是这只是使用一个神秘来代替另一个而已。 如果使用上帝作为第一个问题的答案， 那么第二个问题随之而来： 是否存在奇迹？
这里存在明显的分歧。 神学家们认为根据《圣经》显然上帝可以施行奇迹。 甚至牛顿也信仰奇迹， 他认为比如行星轨道是如此精密与不稳定， 以至于需要上帝不时的施行奇迹来进行重置。 而以拉普拉斯为代表的科学家则认为没有奇迹。 比如对于行星轨道， 存在周期性的扰动， 使得不需要上帝也可以稳定运行。 科学决定论是他们对第二个问题的答案。
自由意志
由此会引出另一个有趣的问题： 如果科学决定论对人也成立， 那么人还拥有自由意志么？
许多人认为人是科学决定论的例外。 比如笛卡尔将身体和灵魂区分开来以保留自由意志。
然而我们对生物分子基础的理解表明生命过程也是受到物理定律制约的， 正如行星轨道一样。 那么人就没有自由意志了么？ 也不尽然。 数个分子之间的作用的计算已经是一个足够复杂的问题， 而人由\(10^{28}\)数量级的分子构成， 使得即使受到科学决定论的制约， 人的行为也无法由计算预言。 因此我们可以说人是有自由意志的。
有效理论
因为使用基本物理定律去预言人的行为不切实际， 我们采用所谓的有效理论。 有效理论是创造来模仿某种被观察的对象， 而不仔细的描述所有基本过程的框架。
例如，我们不能解人的每个分子和地球每个分子的引力作用的方程， 因此使用和质量有关的公式这个有效理论； 我们不能解复杂反应中每个原子和分子行为的方程， 因此发明了化学这个有效理论； 我们不能解人行为的方程， 因此发明了心理学和经济学等有效理论来预言人的行为。
定律的必然性
对第三个问题的传统答案认为自然的原理由于“必然性”而存在， 即它们是仅有的合乎逻辑的规则， 是上帝精妙设计的杰作。
新的观点
我们依据科学决定论的概念， 先对第二个问题给出否定的答案。 然后深入研究第一个和第三个问题， 即定律如何出现， 它们是否为仅有的可能的定律。
为此，我们先讨论定律描述的究竟是什么东西。
何为实在
大多数人认为定律是一个外在的实在的数学反映， 这个外在的客观实在独立于观察者而存在。 而我们认为， 不存在与图像或理论无关的实在概念。 我们相信依赖模型的实在论： 一个物理理论和世界图像是一个模型（通常具有数学性质）以及一组将这个模型的元素和观测连接的思想。
传统观念认为存在一个真实的外部世界， 观察者和被观察的对象都是真实外部世界的一部分， 他们之间没有区别。 而现代物理的研究则对这个观点提出了挑战： 海森堡不确定原理说一个粒子直到被观察者测量， 它的速度和位置都是不确定的。 即是说世界被观察到才拥有了实在； 而超弦理论更是说我们生活在11维世界中， 而不仅仅是平时感觉到的4维世界， 我们在宇宙中的地位类似鱼缸里的金鱼看外面的世界。
依赖模型的实在论解决了这个矛盾。 根据依赖模型的实在论， 去问一个模型真实与否是没有意义的， 只有是否与观测相符才有意义。 如果存在两个都和观测相符的模型， 正如金鱼看到的世界图像和我们看到的世界图像， 那么不能讲一个比另一个更真实， 而是哪个方便用哪个。
有两个模型， 一个在我出门以后房间里的桌子就消失了， 我进门时桌子又出现了， 另一个说我出门后桌子还一直在那儿。 这两个模型都符合观测， 所以都可以被接受， 但是第二个更加方便一些。 近代物理的一个模型中包含了夸克这种永远不能被观测到的粒子， 但是依赖模型的实在论告诉我们， 只要这个模型更加方便， 我们便可以使用它。
可择历史
图1：杨氏双缝干涉实验
杨氏双缝干涉是量子论的经典实验之一。 在只开一条窄缝的情况下， 一个点光源通过窄缝打在板上， 板上呈现出均匀的亮度； 而当打开两条窄缝， 板上反而呈现出明暗相间的干涉条纹。
图2：单缝与双缝的不同结果
这种牛顿力学无法解释的现象， 量子论可以很好的解释。 对于一个系统， 任何观察的概率是由所有可能将其导致那个观察的历史的求和。 也就是说如果你在双缝实验中开灯看到了点光源通过双缝的结果， 那么干涉条纹就会消失。
也即是说， 宇宙具有每一种可能的历史， 而我们对其现状的观测会影响宇宙过去的历史。
选择宇宙、表观奇迹 、伟大设计
我们知道， 人类这种智慧生物的出现是宇宙的一系列精密的巧合所带来的结果。 包括早期宇宙中极小的不均匀扰动， 地球轨道精巧的距离和偏心率等等。 而这种参数的选择不是大家普遍认为的上帝精妙的设计。 根据量子论可择历史的理论， 拥有无穷多不一样的宇宙， 是我们存在这里进行观测这个行动使得宇宙的历史坍缩到了包含这些精巧设计的这个宇宙。 这是我们对定律从何而来的一个回答。
至于是否可能只存在一族定律， 近代物理给出了一个候选：M理论。 它的洞察来自于宇宙的超对称性， 在此不再详细展开， 有兴趣可以去翻翻原书~
随着这些终极问题的答案慢慢揭晓，可以相信我们越来越靠近 the grand design。