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科学史与宗教信仰的交汇:物理学能证明上帝的存在吗?

如果上帝创造了整个宇宙及其所有的物理定律,那上帝是否会遵循他自己制定的规则?换句话说,上帝能否超越自己所创造的定律,比如旅行速度超过光速,从而能够同时出现在两个不同的地方?这个问题的答案或许能帮助证明上帝的存在,或者这就是科学经验主义与宗教信仰的交汇点,而没有真正的答案?当英国开放大学行星与太空科学教授莫妮卡·格雷迪收到这一问题的时候,立刻就被吸引住了,以下便是她对此所作出的解答。

在新冠疫情的背景下,许多原本信仰坚定的人也开始质疑上帝的存在:如果有一个仁慈的上帝,为什么会发生这样的灾难?另一方面,上帝可能被物理学定律“束缚”的想法也很值得探索,因为这些定律不仅支配着物理学,还支配着化学和生物学,由此也决定了医学的局限性。

如果上帝不能打破物理定律,那他就不可能像人们想象的那么强大;但如果他能做到,为什么我们没有看到任何表明宇宙中物理定律被打破的证据呢?为了解决这个问题,让我们先把它分解一下。首先,上帝能比光更快吗?从数值上,光大约以每秒3×10^5公里的速度传播,即每秒299500公里。我们知道,没有任何东西的速度可以超过光速,但事实真是如此吗?几年前,一群物理学家假想了一种超光速亚原子粒子,称为“快子”(tachyon)。幸运的是,这种粒子真实存在的可能性被认为是极低的。如果它们确实存在,它们将具有一个想象的质量,而空间和时间的结构将被扭曲,从而导致违反因果律(上帝如果存在的话,可能会对此感到头疼)。

到目前为止,我们还没有观察到任何比光速更快的物体。这本身并不能说明任何关于上帝的观点,只是强化了这样一种认识:光确实传播得很快。

当我们思考光从一开始传播的距离时,事情就变得更有趣了。想象一个经典的大爆炸宇宙,光速为30万公里/秒,那么可以计算出,在宇宙——更确切地说是可观测宇宙——存在的138亿年里,光大约走了1.3×10^23 公里。

宇宙膨胀的速度约为70(km/s)/Mpc(Mpc即百万秒差距,1Mpc约为3×10^19公里),因此目前的估计表明,我们到宇宙边缘的距离为460亿光年。随着时间的推移,空间的体积增大,光要经过更长的时间才能到达地球。

宇宙比我们所能看到的要大得多,而我们看到的最遥远物体是由哈勃太空望远镜观测到的GN-z11星系,距离大约是1.2×10^23公里,或者说134亿光年(光行程),相当于该星系的光需要134亿年才能到达我们这里。然而,当这些光“出发”时,该星系距离银河系只有大约30亿光年。

我们无法观察或看到大爆炸之后成长起来的整个宇宙,因为光在不到1秒的时间内就到达我们这里。一些人争辩说,我们仍无法确定物理定律是否会在其他宇宙区域被打破——也许这些都只是局部的、偶然的定律。这就将我们引向了比宇宙更大的事物。

多重宇宙论

许多宇宙学家认为,宇宙可能是一个更大宇宙的一部分;即在我们的宇宙之外,还共存着许多不同的宇宙,但它们之间不发生相互作用。多重宇宙的观点得到了暴胀理论的支持,后者认为宇宙在诞生10^-32秒之前急剧膨胀。暴胀理论是一个重要的理论,因为它可以解释为什么宇宙具有我们所观察到的形状和结构。

但是,如果暴胀可以发生一次,为什么不能发生很多次呢?我们从实验中知道,量子涨落可以导致粒子对突然出现,只不过在片刻之后就会消失。如果这种涨落可以产生粒子,为什么不能产生整个原子或宇宙呢?有人认为,在混沌的暴胀时期,一切并不是都以相同的速率发生——暴胀中的量子涨落可能会产生气泡,然后爆炸形成宇宙。

不过,上帝应该如何融入多元宇宙呢?令宇宙学家头疼的一个事实是,我们的宇宙似乎经过了微调,从而适合生命的存在。在大爆炸中产生的基本粒子都具有适当的属性,使氢和氘的形成变得可能,正是这些物质产生了第一代恒星。

这些恒星中控制核反应的物理定律产生了构成生命的物质——碳、氮和氧。为什么宇宙中所有的物理定律和参数恰好都具有适当的值,能允许恒星、行星和最终生命的诞生?

有些人认为这只是一个幸运的巧合。另一些人则认为,我们不应该对看似青睐生命的物理定律感到惊讶——毕竟是它们造就了我们,除此之外我们还能看到别的定律吗?然而,一些有神论者认为,这恰恰表明存在一个创造了有利条件的上帝。

但上帝并不是一个有效的科学解释。相反,多重宇宙论为这一谜题提供了答案,因为它允许不同的宇宙具有不同的物理定律。因此,我们碰巧身处少数几个可以支持生命存在的宇宙之一也就不足为奇了。当然,你无法反驳上帝可能创造了多重宇宙的观点。

多重宇宙论尚处于假设阶段。对多重宇宙论的最大批评之一,是无法对其进行直接验证,因为我们的宇宙与其他宇宙之间似乎并没有相互作用。

不可思议的量子理论

现在让我们思考一下,上帝是否可以同时出现一个以上的地方?在空间科学中使用的许多科学和技术都基于反直觉的量子力学理论,这一物理学分支主要描述原子和粒子等微观事物。

量子力学理论支持了所谓的量子纠缠,即粒子以一种诡异的方式联系在一起。如果两个粒子纠缠在一起,当你操纵其中一个粒子的时候,也会自动操纵另一个粒子,即使它们相距很远,并且两个粒子没有相互作用。

想象一个粒子衰变成两个亚粒子,称为A和B。亚粒子的性质加起来必然等于原始粒子的性质,这就是守恒原理。例如,所有的粒子都具有称为“自旋”的量子特性——粗略地说,它们运动起来就像微小的指南针。如果原始粒子的自旋为零,那么两个亚粒子中必然有一个自旋为正,另一个自旋为负,这意味着A和B都有50%的几率自旋为正或负(根据量子力学,在你真正测量它们之前,粒子的定义是处于不同状态的混合体)。

A和B的性质并不是相互独立的,而是纠缠在一起的,即使它们位于不同行星上的不同实验室。如果你测量A的自旋并发现是正的,然后想象一个朋友在完全相同的时间测量B的自旋,为了守恒原理成立,B的自旋必须是负的。

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阿尔伯特·爱因斯坦将量子纠缠描述为“鬼魅般的超距作用”

然而,这就是事情变得令人困惑的地方。正如前面所说,亚粒子A和B都有50:50的机会是正的,因此当A的自旋状态被测量为正的时候,它的自旋状态就“变成”负的。换句话说,关于自旋状态的信息瞬间在两个亚粒子之间传递。这种量子信息的传递显然比光速更快。根据爱因斯坦的狭义相对论,瞬时超距作用违反了信息传递速度的上限。如此怪异的效应使爱因斯坦本人将量子纠缠描述为“鬼魅般的超距作用”。

所以,还是存在一种比光速还快的东西:量子信息。这并不能证明或否定上帝的存在,但可以帮助我们从物理学的角度来思考上帝——也许上帝就像是一簇纠缠的粒子,来回传输量子信息,并同时占据许多地方?甚至在多个宇宙中同时存在?

如果你相信上帝存在,那么关于上帝受物理定律约束的观点就是无稽之谈,因为上帝无所不能,甚至比光速还快。如果你不相信上帝,那么这个问题同样是荒谬的,因为根本就没有上帝,没有任何东西能比光传播得更快。这个问题或许适合不可知论者来回答,因为他们不知道上帝是否存在。

这确实是科学和宗教的不同之处。科学需要证据,宗教则需要信仰。科学家们不会试图证明或反驳上帝的存在,因为他们知道没有一个实验可以探测到上帝。如果你相信上帝,那么科学家对宇宙的发现就无关紧要了——任何宇宙及其中的一切都可以被认为由上帝创造。可以肯定的一点是,无论是上帝、物理学或其他任何事物,我们的看法最终都取决于我们所选择的视角。

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