弦乐四重奏

2009年9月30日星期三

人择原理，开普勒和宇宙

（按：此前贴过一篇有关人择原理的译文，见：人择原理。然而贴完之后意犹未尽，总觉得还有一些东西可补充，遂有如下文字。）

在物理学中，人择原理是可算是一个臭名昭著的命题。它的一种简化表述是：“世界之所以如此，是因为若非如此，我们就不会在这里观察它。”还有一种更野蛮的简化版：“世界之所以如此，是因为我们看见了它。”这些表述难免使人对其产生一种印象，即它们根本不能算是原理。一方面，它们无法给出任何观测证据；另外，更严重的批评是，它们有循环论证的嫌疑——果真如此的话，那将会是一个致命伤。

然而事情并非全然如此。人择原理，尽管被称为“原理”略显牵强，但仍然给出了一种回答问题的方向。为了将此解释清楚，让我们回到开普勒(J. Kepler)。

在开普勒时代，“宇宙”在人们的观念中的范围基本上与我们今天称为“太阳系”的区域相当。至于背景上的恒星，则可以被认为是固定在天球上不动的点。真正引起人们兴趣的，是那些有明显运动的行星。在当时，已被观测到的此类恒星包括水星、金星、火星、木星、土星，以及地球自己。很大程度上，对这些行星运动规律的解读就成了理解宇宙的核心任务。

十分神奇的是，开普勒在当时已有数据、以及哥白尼模型的基础上，提出了一个非常漂亮的理论。这个理论所要回答的问题是：为什么仅有的这几颗行星会以如此的轨道半径绕太阳运行。开普勒发现，如果把每颗行星所在的圆形轨道扩展成一个以之为赤道的球，则这些球之间的半径关系恰好使得仅有的五种正多面体嵌入到这些球面当中，如题图所示。

这个结果漂亮得令人瞠目结舌：它将宇宙中行星的运动规律——一个自然界中的事实，与五种正多面体——这个纯粹的数学结果——结合起来，正好实现了毕达哥拉斯关于宇宙是几何与和谐的构想。可以说，在此前后的任何一个宇宙理论，在美感上都无出其右。

自然，我们今天会觉得这个理论十分荒唐搞笑。当对这些行星的观测更加精确之后，人们了解到，行星轨道既不是正圆，而且这些轨道半径与正多面体之间也不会有任何关系。更重要的是，我们还知道，太阳系仅仅宇宙中是数量巨大恒星-行星系统中的一个，极其平凡的一个。因此各个行星的运行轨道半径，几乎不会由任何纯粹的数学原则直接支配。至于开普勒的模型，我们会很自然地认为是在一定精度限制下的巧合。

今天的宇宙学要回答的问题，不再是这些行星的轨道会有怎样的规律。相当令人震惊的是，今天的实验已经可以“称”出可见的宇宙的“总重量”，以及其中各种成分的比例。我们已经大致清楚，在宇宙的全部物质中，可见的物质大约占百分之五，暗物质占百分之二三十，而其它百分之六七十都是所谓的“暗能量”。

一个很自然的问题是，为什么是这么多？我们似乎可以用目前所掌握的理论去计算它。事实上，量子场论中的“真空能”似乎是暗能量的一个很好的来源。然而非常遗憾的是，我们没有开普勒那样幸运：用量子场论作简单估算所得的“暗能量”，比实验结果大出了10的120次方倍——这样大的数字本身都是难以想象的。有人称此为20世纪末物理学的一朵乌云。为了驱散这朵乌云，物理学家们有如八仙过海，各处奇招。超对称、第五元素，种种解释，不一而足。

可是，面对这样的窘境，为什么我们不回头想想开普勒呢？如果我们置身其中的宇宙只是千千万万个宇宙中很平凡的一个、恰如我们所在的太阳系那样，我们怎能保证，用这些光怪陆离的理论所编造出来的解释，不会和开普勒的嵌套模型一样荒唐可笑呢？也许，我们这个宇宙的许多基本参数，仅仅是在它诞生时，以某种相当偶然的方式被赋值、恰如太阳系中各个行星的质量，是由太阳系形成时气团碎裂而偶然决定的那样。若真如此，我们再去千方百计地试图计算出和实验一样的结果，也许就真的是在编造另一个开普勒模型罢了。

此时，真正自然的回答是，我们这个宇宙的各个参数之所以如此，是因为我们恰好在这个宇宙中，而不是在另一个宇宙中！这就是我想陈述的人择原理。

我们无法排除这种可能，但这是物理学家非常不喜欢的一种。一方面，与太阳系的情况不同的是，我们也许永远无法观测到我们这个宇宙之外的另一个宇宙。另一方面——也是更加重要——若真如此，物理学家对于这些基本的宇宙参量就会无话可说。你千万不要认为物理学家是那种为追求终极真理而孜孜不倦的神圣战士，就好像布鲁诺那样。实际情况是，物理学家所信奉的真理是，他们得有事可做。所以如果在前景不甚明朗的情况下出现了两种选择，一种说：这个问题完全无法研究，另一种说：有一种方法，但没有证据表明它是对的，那么物理学家一定会选择后者：有道是车到山前必有路。至于对错，咱走着瞧。

这自然是人择原理不受欢迎的另一个隐秘的原因。

最后仍然是音乐。两首根据经典歌曲改写的小提琴曲，适合放松神经。

第一首，猫王的Love me tender，过于经典，不多介绍。

第二首，大约诞生于上世纪30年代的歌曲，All the things you are，经典的爵士风格。

特别推荐这个改编版，质朴清新。他们来自由Davison和Davis合作的唱片Classic Heartstrings。

2009年9月14日星期一

没有基本粒子

台球是基本粒子吗？——你可以这么认为。

不久前Science上出现了一篇宣称在实验上发现磁单极的文章，相应的科普新闻被纷纷转载：

Magnetic monopoles detected in a real magnet for the first time

对此，有同学惊呼物理教材将被改写，但也有不少同学觉得这是小题大做：因为实验中看到的磁单极是从多体系统中衍生而来的磁单极，而非高能物理中的某种基本粒子。显然，持后种观点的同学基本出自物理专业。

的确，对于一个接受了几年高等物理训练的同学而言，磁单极算不得新鲜。早在20世纪上半叶，Dirac就从理论上讨论了存在磁单极的可能性，而在当下大热的凝聚态物理中，磁单极的身影更是屡屡出现，不足为奇。

不过，另一方面，我想说的是，发现磁单极这件事，无论是发生在凝聚态物理的多体系统中，还是高能物理的加速器中，区别不大。因为你很难判断，这两种磁单极子中何者是基本的。

我已连续在两篇日志中鼓吹同一个观点：没有终极理论。在这一篇中，我继续鼓吹：物理学中没有基本粒子。

当你读到“基本粒子”这个词的时候，你一定会联想到原子、质子、电子、夸克，等等这一串的概念。历史上，人们对基本粒子的认识也正好形成了这样一串从原子到夸克的链条。在今天高能物理的标准模型中，夸克算是基本粒子了。但谁也不会认为它不可再分。

是否存在基本粒子，这仍旧是哲学问题，而不是物理问题。若仅从经验出发，我们无法回答它。哲学就是这样一种有趣的学问，它的历史充满了聪明的提问和错误的回答。当人们声称最终解决了一个哲学问题时，往往不是给出正面回答，而是最终发现，这个问题无法回答。

让我对上面的话作一小结，那就是：以“不可再分的基本单元”为内涵的“基本粒子”这个概念，是非物理的。

既然如此，物理学家所说的基本粒子，又是什么呢？

学过理论物理专业课（也就是四大力学）的同学都知道“拉格朗日量”（Lagrangian）。在物理中，如果你写下一个拉格朗日量L，就等于给出了一个理论。对此理论的进一步研究，很大程度上就是去摆弄这个拉格朗日量。虽然这套研究方法背后的原理并不简单，但是最终呈现出来的结果却出奇地直观。

让我来举一个例子：如果你希望描写一个电子e-和一个正电子e+湮灭成一个光子A，那么你只需要在拉格朗日量中加入这样一项：，也就是将光子、电子和正电子“乘”起来，而其中的C是一个我们并不关心的系数。更普遍的规律是，当你希望描写几个粒子a,b,c,……之间的相互作用时，你只需在拉格朗日量中将它们“乘”在一起。

以上略去了很多细节，这里不再解释，因为我们只关心一个问题：什么是物理学家所说的基本粒子。现在，这个问题很好回答：所谓“基本粒子”，就是出现在拉格朗日量中的粒子。

你马上会问：还有不出现在拉格朗日量中的粒子吗？

当然有。这种粒子中的一大类，被称作“束缚态”（bound state）。这个名字很形象：它表示，这种粒子是由出现在拉格朗日量中的基本粒子绑在一起所构成的粒子——所以当然不是基本的。比如，你的拉格朗日量里有电子和质子，那么将这两种粒子“绑”在一起，就得到氢原子。再如，以一个含有夸克的拉格朗日量为基础，就可以适当地用夸克“绑”出一个质子，或者中子，等等。

以上所说的“捆绑法”，只是产生新的“非基本”粒子的一种方法。另一种更有趣的办法，可以叫做“集体激发”，这里不再详述。利用这种方法，我们还可以得到诸如声子之类的粒子。传统教科书中称声子这种粒子为“准粒子”，意思是说它并非真正的粒子。这只是一种成见。按照我们此处的观点，声子和光子也许并无什么本质区别。

由此可见，在物理中，一个粒子是否基本，也是一个很任意的问题：这取决于你在拉格朗日量中写下了什么。所以，我们不用太介意某种物理现象是否基本。我们所关心的是，这种现象与它所处的粒子层次的关系是什么。因为，人们目前已经知道，很多物理现象对它所发生的层次并不敏感，比如Dirac磁单极就是如此。关于这一点，我们下回分解。

最后为大家送上音乐。

Siciliana, from Flute Sonata in E flat major, BWV1031, by J.S.Bach（点这里进入下载页面！）

J.S.巴赫的长笛奏鸣曲，降E大调。第二乐章：西西里风格。

这段音乐来自柏林爱乐的长笛首席，帅哥E. Pahud与古乐专家Pinnock合作的唱片：

特别向不熟悉古乐的同学介绍：Pinnock先生演奏的乐器是Harpsichord，中文翻译似乎是大键琴。这种乐器是钢琴的前身。

2009年9月8日星期二

简单和优美的包袱

（题图：Composition with Three Black Lines, by Mondrian, 1929）

前两天做报告，结束后有老师问我：“你做的工作对你关于世界的认识有什么影响？”他举Wheeler的例子说，物理学家曾认为构成万物的基本组分是粒子，后来又觉得是场，再后来又有人说是弦。

我回答说，我认为不存在终极理论。我没有详细解释，否则这位老先生一定会觉得我不知所云。当然，在上一篇博文中我已经提到了这件事。

关于终极理论是否存在、是否能为人类所认识，这不是物理，而是哲学问题。不过，尽管这些问题本身不是物理学家所研究的对象，但物理学家对它们一定有自己的认识，某些时候，这是一种信仰。例如，有人信仰物理学的简单和美。

追求物理理论的简单和美，这是科普作家们描写理论物理学常用的字眼。我相信很多进入物理领域学习和研究的同学都曾经被这样的描写所倾倒，至少我是如此。不过我不清楚，真正做研究的同学还在多大程度上持有这样的观点。

这不难想象。比如，对于一幅画的欣赏和理解，画家本人和旁观者不会相同。当我们谈到物理的简单和美时，我们其实是站在旁观者的位置上。一旦你进入细节，似乎并不能发现什么简单和美。在一长串繁冗复杂的数学公式面前，如果还有人念叨“简单和美简单和美”，我会感到很可疑。

尽管在研究中，我们常常只面对丑陋而不是优美，但我相信不少研究者仍然会抱这样的态度：物理理论应当是简单而优美的。

当然，这没有任何值得推敲的根据，所以纯粹是一种信仰。我猜，这种信仰是被爱因斯坦带进物理学中的。他的广义相对论是这种信念的绝佳范例。

“物理理论应该如何如何”，这是价值判断。在自然科学理论中掺入价值判断，是两千年前的亚里士多德才会做的事情。在牛顿理论的影响下，人们已经学会将价值判断隔绝于自然科学之外，没有人再视“圆周运动是完美的”这类命题为真理。而上面这种“物理学应当如何”的判断，我猜，物理学家只在茶余饭后才会想起来。

另一方面，相对论，被认为是20世纪初物理学革命性突破的代表之一。然而在今天看来，它更像是一种旧传统的终结者，而非新思想的开创者。它是经典物理学长链中的最后一环。而伴随它产生的“简单与优美”原则，更像是旧传统发挥到极致的表达，是一种强烈的信仰，或者迷信。只是这迷信的对象已不再是圣经中的上帝，而是斯宾诺莎的上帝。

“Einstein may have misled us a hundred years”，我记得文小刚先生在一次讲课中这样说。的确，简单和优美的原则肇始于对统一理论的仰慕和追求。对这种封闭、自洽、完美、统一的信仰只是人类思想史中一串被遗传了过久的基因。如果能克服对它的依赖心理，果断舍弃这个包袱，我们是否能前进得更轻松一些呢？

最后为大家送上一段音乐。我希望这能成为今后每篇日志的惯例。今天是：

Vivaldi：Largo, from Concerto per due violini, liuto e basso continuo RV93, Played by Rolf Lislevand

维瓦尔第：两把小提琴，琉特琴和数字低音的协奏曲，第二乐章：广板。此段音乐来自naive公司的唱片：

此段音乐特别献给我的家乡，如今她饱受骚乱和恐惧的折磨。愿她早日回复安宁。

文件上传于纳米盘，至少七日有效。当然，大家多多下载有助于延长有效期。

2009年8月27日星期四

弦论：做游戏时请别当真

最近在班内的seminar交流活动中，我做了一个关于弦论的报告，其实是弦论中最基础的内容：关于Bosonic string的量子化。坦白地说，我不懂弦论。但这并不妨碍我在此处涂些口水。

弦论最早出现在20世纪60年代末。关于这个理论，人们最初的目的是解释强相互作用（一种将质子和中子牢牢绑在原子核里的相互作用）。在那个年代，强相互作用的古怪性质使得为其找到一种合适的理论异常困难。朗道大牛在1960的一篇文章中声称，“正确的（强相互作用）理论在今后百年之内不会被发现”。

然而历史的进程总不甘于平庸。数年之后，新发现的QCD理论（量子色动力学）即普遍被认为是正确的强作用理论，而弦论似乎也就成了废弃模型。但在70、80年代，弦论竟然卷土重来、东山再起，并且号称能够将引力量子化。

“将引力量子化”对理论物理学家而言是一件颇具魅惑力的工作。因为长期以来，人们相信量子力学是描写微观世界的正确理论。基于这种认识，如果你希望对一种理论寻根究底地拷问下去，你就得将它量子化。在强相互作用理论QCD提出之后，人们已知的四种相互作用中，电磁、弱作用、强作用皆有了合适的量子理论，唯独“万有引力”这种相互作用没有被驯服。

今天人们知道，引力与其他三种相互作用相比，显得极其特殊、匪夷所思。这很具有戏剧性，因为人类第一个关于相互作用的物理理论——牛顿力学，就描写了万有引力。然而，今天人们最不理解的相互作用，也是万有引力。这再次说明，历史不甘平庸。

对统一理论有兴趣的同学肯定听过不少这样的故事，因为这是科普作家的好题材。有鉴于此，我也不再继续讲下去。

从我们今天的认识看来，将引力量子化是一种纯粹的智力冒险。即使物理学家声称找到了正确的量子引力，也很难直接用实验检验它。原因很简单：引力表现出量子效应所需的能量比我们目前的机器所能够到的量级高出的10的十几次方。这只有黑洞中心附近，以及宇宙大爆炸之初的亿亿亿亿亿分之一秒内才能达到。所以较为悲观地预期，我以为正确而有意义的量子引力在可见的未来不会被找到。当然，作此判断本身更危险。朗道对强作用理论的预言就是很好的反例。所以，考虑到发明QCD的历史经验，我们可以加上一句：除非有天才的意外突破。

另一方面，善于忽悠的科普作家总喜欢将引力量子化的工作称作“相对论和量子论的统一”，并且高调鼓吹Theory of everything，颇有“东方教主，一统江湖”的味道，搞得人心潮澎湃，激动不已。当然，科普书需要畅销，需要煽动性。但这也就意味着，我们对它不能太当真。

事实上，我以为任何对统一理论的期待都是危险的。我们可以严肃地问：大自然的终极理论是否存在？是否能被我们人类找到？但是我们却不能轻易对此作答。任何从纯粹思辨哲学方面的论证，尽管可以充满技巧、充满智慧，但是漏洞总是难以避免。

这里似乎存在悖论：对于这种关于理论为人所认识的可能性问题的回答，必须借助经验。但是经验永远无法告诉我们，一个摆在我们面前的理论是否能算是终极。所以终极理论似乎是一个伪概念。

不平庸的历史提供了许多终极理论之梦破产的案例。例如大家都知道的19世纪物理学家对已然掌握终极理论的信心，此处不再多说。当然，20世纪之后也不是没有类似的例子。比如，量子场论。历史上，曾经有人试图将它理解成为狭义相对论和量子力学的自然组合，相信这样的组合可以导致一个封闭自洽、逻辑完整的体系，一如牛顿力学。但是到今天，这种信念已然过时。我宁可相信场论是一个方法论，而不是一个描述自然的终极理论。我们千万不要相信大自然中真的存在那些如奇妙的费曼图所描绘的物理过程：它们只是有效的方法。更大胆的推测是：弦论也是如此——它只是一种方法。当然，在目前看来这样推测的意义不大。

试图建立体系的时代已经过去。在当下，我相信我们的神经已经强大到了足以承受取消中心的事实。物理学家们何不更后现代一些？

2009年8月23日星期日

随手写写

八月的北京，夜里已没有盛夏时的燠热。加之近来神经紧张，我竟喜欢上了独自在阳台吹夜风。躺在椅子里，音乐自是不可少的。

这是一个怪诞的时刻：马勒也可以用耳机来听，尽管有损伤听力的危险。我突然想到另一个场景：请马勒或者贝多芬戴上耳机，让他们听听自己的交响乐从这样一个奇形怪状的小东西中冒出来。他们会是怎样地错愕呢？这一定很有趣。

但对于这怪诞，细想又觉得再正常不过。在这个一切都被封装成商品的时代，没有什么能幸免。古典音乐被压成一张张光盘，十分廉价，再配上些光鲜亮丽的封套，与垃圾快餐几乎没有区别了。

当然，我不会对此不屑，或者失落，我对此没有任何不快的情感。我甚至心存感激。通过互联网，我可以在任何时刻，取一个自己喜欢的姿势，去听某位大师指挥交响乐，虽然声线有点变形。

古典音乐的时代已经过去，这是一个不可避免的事实。人们的生活方式，或者更直接的，音乐的生产方式，决定了怎样的音乐将被制作出来。在一个如电子元件般精确运转的时代，古典音乐显得那样不合时宜。那样多的细节，那么多悠长的旋律线，那些严肃的思考，那些无法名状的情感，在这个神经粗大的时代全都显得如此虚弱和渺小，不值一提。这个时代需要的是rock和new age。这两种貌似极端不同的音乐其实内在的精神是一致的：一种性价比极高的反抗。

我不会为古典音乐辩护什么，我不是传统的卫道士。更重要的是，在人的习惯与偏好面前，逻辑的辩护总是苍白无力，甚至可笑。历史就是这样被不同的观念和偏好剖出一个个断层。而观念的更替，绝不是理性和逻辑的后果。正如普朗克所说，新理论代替旧理论的过程，纯然是年轻的人们接受新理论、而坚守旧理论的人渐渐死去。生活在不同时代切片中的人们，互相无法理解。那些幸运地全身于一个切片中的人们恰如水中畅游的鱼，而不幸游走在断层上的人们就得直面被切割的痛苦。他们或者坚守，或者妥协。这是悲剧，还是一个荒诞的喜剧？

这一切的答案，也许都已存在于马勒的交响乐中了，此刻我无心思考更多。

几张上好的Mahler，令人叫绝：

2009年6月23日星期二

人择原理（三）

人择原理

Victor J.Stenger

鲜于中之译

（续上篇）

6、我们是宇宙的唯一？

我们生活在地球上，而不是水星、金星、火星，也不是太阳系中的其他已知星球。水星和金星太热，火星太冷。水星没有大气；金星的大气太厚，无法透过足够的太阳光；火星的大气太稀薄，无法提供足够的氧气和水。

地球的温度范围以及其他各种条件对生命来说都恰好合适。举例来讲，地球的大气对于太阳光谱的透射区域正好就是我们眼睛所敏感的区域。对此，人择的解释可以是：大气的透射谱经过了微调，以便地面上的动物和人能够相互看见。另外，大气对光谱的透过区，恰好也是太阳电磁辐射最强的地方。同样，人择考虑可以将此解释为，这恰好是为人的出现而设计的。但是，地球上能演化出生命，显然是因为条件合适。也就是说，地球上的生命形式对那些条件来讲是恰好的。

可见的宇宙中包含着数千亿的星系，每个星系包含数千亿颗恒星。除此之外，根据现有的宇宙学，在我们的视野边界之外，还有无法计数的天体。因此，我们的宇宙似乎有良好的条件在某颗行星上演化出某种形式的生命。的确，在外太空中，我们发现了许多种构成生命的化学物质，比如某些复杂的分子。当然，除非我们的确发现了地外生命，这个论断是无法被敲定的。

仍然有人预期，在我们宇宙中所能找到的任何生命形式都是碳基生命，或者至少是基于重元素的生命。微调解释意味着这是唯一的可能。然而，这是一个巨大而不合理的假设。即使我们宇宙中的所有生命形式都基于重元素结构，也不能排除在其他物理规律和常数的组合中演化出生命的可能性。仅此事实就能成为微调论断的一个致命打击。

对于搭建能够演化出生命系统的复杂分子系统，碳元素是最合适的砖块。即使今天，通过碳元素设计出来的各种新材料也表现出了各种出人意料而引人注目的性质，例如超导性和铁磁性。但是我们没有理由假设碳基生命是唯一的可能。

从目前已有的物理与化学规律出发，我们可以设想一些从硅元素、或者其他与碳类似元素的基础上演化出的生命。当然，对于我们宇宙所选定的各个参数而言，碳元素最合适。但是一旦参数有一点小变动，也许硅元素就是最合适的。无论用哪种元素做材料，我们总需要一个恒星系统来开启烹饪生命的过程。所以，我们需要宇宙足够老，以演化出恒星系统。

当前，我们只能推测其他行星上，当条件不同于地球时，生命会是什么样子。如果我们知道有其他生命类型的例子，那将非常激动人心。但是我们没有。更进一步呢？如果这个宇宙中的电子质量、电磁作用强度改变一点，或者干脆完全换一套物理，生命将会是什么模样？这更成问题。当这些条件有所变动时，我们完全没有能力回答，哪些条件不允许生命、或者别的某种什么东西出现在宇宙中。

7、多宇宙

如我们所见，宇宙学的种种参数并不需要为生命作特别的微调，比如上文讨论过的宇宙学常数。在我们目前所持有的一个较为合理的方案中，四种相互作用从最初的统一演化到今天的强度。而且，当这些参数在很宽的范围内变动时，恒星的寿命都足够长。人们期待在将来能够出现一个统一引力与微观物理的理论，并且能够用它计算出决定物质基本性质的很少几个参量。不过，即使这种期望在今天显得不太现实，现有理论也指出了回答人择问题的另一条出路。
例如，一种方案是：我们所在的宇宙，只不过是海量的宇宙中的一个，这些海量的宇宙构成了一个超级宇宙，我们称之为多宇宙（multiverse）。在这些宇宙中，各种参数以某种随机的方式被选定，而我们宇宙所采用的这组参数恰好能够创造出我们这种形式的生命。

有神论者对多宇宙模型报以嘲笑。他们认为，我们根本就没有其他宇宙存在的证据。不过别忘了，对于这些人所说的上帝，我们同样也没有证据。至少在多宇宙模型的情形中，我们有建筑在实验数据的基础上的坚实的物理理论，而这些理论允许多宇宙的存在。而且，当前极其成功的暴涨模型暗示，导致我们宇宙出现的那个自发事件很可能已经重复发生了许多次。虽然这一点仍属于猜测，但这个猜测是建立在良好的科学与观测数据基础之上的。但是对造物主上帝存在性的猜测，既无科学也无数据作为基础。

另外，有几位评论家曾指出，多宇宙模型违背Occam剃刀法则。这是错的。Occam剃刀作为一种节俭原则，其本质在于，它禁止了必要理论假设之外的画蛇添足，而不是禁止在我们这个宇宙之外添加别的宇宙。比方说，虽然对于一个热力学问题，用原子理论解决它时，将引入大约10的24次方个对象，但原子理论并没有违反Occam剃刀。因为，它提供了一套更简洁、更强大、更经济的规则，而且这套规则的确为热力学系统所遵守。

事实上，多宇宙模型与我们目前的所有物理学和宇宙学知识都相容。引入多宇宙并不需要额外的假设。正相反，要想排除多宇宙模型，才需要额外假设存在一个超级的宇宙规律，它只允许一个宇宙存在。这反而是一个不经济的假设。就另一方面来说，我们也没有任何基础来假设只有一个宇宙。看来，有神论者们的论断需要两个既无理论支持、也无数据支持的假设：1，只有一个宇宙；2，上帝存在。

8、生命原理？

尽管宇宙对于生命而显然具有非同质性，但生命还是存在着。仍然有人认为这是非同寻常的现象。对此，物理学家Paul Davies提出，应当有一种生命原理（life principle）内嵌于物理学规律中，或者内嵌于宇宙的本质中。

显然，我们在现有物理学、化学与生物学中从没有见到任何基本生命原理出现的迹象，亦即没有出现任何生命活力（élan vital）将生命与非生命区分开来。Davies猜测，“法则与偶然的精巧混合也许可以被推广到宇宙学，从而产生自简单到复杂，再到生命与精神的直接演化。”

Nobel奖得主、生物化学家Christian de Duve与生物学家Stuart Kauffman亦持有相同观点。他们似乎都将生命原理视为某种尚不清楚的，具有整体性与目的论导向的自然法则。而Nancey Murphy等神学家则将这种观念称为非还原的物理主义（nonreductive physicalism），他们相信，在这个框架内，可以找到上帝与心灵的居所。同时他们也承认，在现代神经科学的各种证据面前，灵魂与肉体二分的传统观念已无容身之处。

可是，计算机模拟的结果指出，从简单到复杂的演化，可以纯粹通过人们熟知的还原性的物理过程来实现，这其中并不需要任何高高在上的整体性指导法则。所以，如果所谓的生命原理真的存在，它也只不过是一个层展规律（emergent principle）。这种规律存在于混沌系统与复杂性理论中，它们起因于物质粒子间非线性与耗散性的相互作用，当然，这种相互作用仍然是局域性的。因此，此类规律不应被视为新的物理规律，因为它们可从已有的物理规律推出，这即使没有直接的数学证明，也可以通过计算机模拟来实现。

9、微量的复杂性

也许，正如我们在这个宇宙所见到的那样，任何一个随机的宇宙，不论其性质如何，在随机性的宽广海洋中，最终至少都会自然地发展出微量的复杂性。与多数人的印象相反，在我们这个宇宙中，复杂性并非普遍存在。例如，比氢原子还常见十亿倍的宇宙微波背景光子，它的随机性只有十万分之一。我们平日里所见到的东西，无论是在天空中还是在我们周围，给我们的印象总是它们复杂性。然而这些日常可见的物质只占到了整个宇宙0.5%的质量。也许，我们的确不需要造物主，也不需要多宇宙，去解释这种对偶然事件的微小偏离。

我发现，神创论者为了证明存在造物主而做出的两种推理相互矛盾，这是很搞笑的。有时候你甚至能听到同一个人谈论这两种推理。其中，第一种推理是有关微调的论述。他们说，宇宙对于生命而言在各个方面都如此具有同质性，可见它必须是被创造出来的。可是，如果宇宙真的是如此同质，那么生命的出现理应是一个自然的过程。第二种论述经常被创生论者与反进化论者提及。他们说，宇宙对生命而言具有如此的异质性，因而生命必须是被创造的。在这种情况下，生命极不可能是自然演化的结果，因而必定是某个智慧的设计者所创造出来的。然而如果真是这样，生命就会很轻易地成为一个不可能发生的偶然。

如果宇宙不由上帝创造，那么它看上去就应当和我们所期望的样子相像。从这一点我们可以断定，在排除了合理性怀疑的情形下，上帝是不存在的。

（完）

2009年6月22日星期一

人择原理（二）

人择原理

Victor J.Stenger

鲜于中之译

（续上篇）

4、微调：旁观者的游戏？

电磁作用的强度由单位电荷e决定，它是一个电子所带的电荷。上文中的人择条件1声称，单位电荷e作为常数，需要被精细调节到距离其“自然值”很远的地方，以使恒星有足够长的寿命来支持生命的出现。

然而，e不是常数。从今天极为成功地描写了粒子与力的标准模型看，单位电荷e以及其他相互作用力的大小随着能量尺度而变化，而且在宇宙大爆炸后的一秒钟内变化得非常快。按照目前的理解，在大爆炸开始时极高的能量条件下，四种相互作用力统一成一种，就像Weyl所说的那样“自然”。换言之，单位电荷e的确开始于它的“自然值”。此后随着宇宙渐渐凉下来，这种统一的相互作用通过人称“对称性自发破缺”的机制分解成四种。与此同时，单位电荷e以及其他作用力的强度也逐渐演化到稳定值，与我们今天在很低能量下的经验一致。恒星形成，以及伴随其后的生命出现，都得等到这些相互作用分解得足够开。不过实际上这只需要等待非常短的时间：与一秒钟相比都微不足道。

为了指定宇宙方方面面的各种性质，实际上只需要四个参数，正如今天我们所知的：电子的质量、质子的质量、电磁作用的强度，以及强相互作用的强度。我曾经研究过典型恒星寿命的最小值如何依赖于前三个参数：将它们在今天的取值变化十个量级，我发现半数以上恒星的寿命将会超过十亿年。

为了合成足够的重元素，大恒星需要存活一千万年或者更久。小的恒星，例如我们的太阳，也需要有超过十亿年的寿命，以保证在其周围的行星中能演化出生命。实际上，直到大爆炸之后九十亿年，地球才出现。看来这些参数在相当宽的一个范围内都能满足恒星的“长寿”要求。显然，宇宙参数不能仅靠这个条件来微调。

大部分对于人择条件的研究中有一个共同缺陷，那就是只变动一个参数，同时假设其他参数不变。另一个极为错误的假设是，这些参数之间相互独立。多数研究将这些错误混合在一起，去计算一些没有意义的概率。而在我的研究中，几个参数可以同时变动。

在一篇引人注目的论文中，物理学家Anthony Aguire独立地审查了当六个参数同时有量级变动时，宇宙会有怎样的行为。他发现可以构造出这样一个宇宙，在其中“恒星，行星与智慧生命貌似可以很合理地出现”。

标准模型含有大约20个不能由理论本身确定的参量，目前只能通过实验获得它们。然而，只需其中四个参量，就可以确定物质大部分的性质。这四个量是：电子的质量，上下夸克的质量（由这两个质量可以确定质子与中子的质量），以及一个普适的作用强度（由它可以确定单位电荷e以及其他相互作用的强度）。人们梦想，最终，这些参量都可以被一个统一了标准模型与万有引力的理论（比如说，弦论）所确定。按照这个思路，我们只能等待，看看理论计算出来的电子与中子的质量是否能满足前文提到的人择条件3、4。除此之外，另一种想法是这些参数可以是随机的。后面我们将会考察这种想法的可能性。

在神学文献中，往往能见到很多关于人择条件的例子，然而它们往往产生于对物理学简单粗暴的误读。比方说，微调光速c，Planck常数h以及Newton引力常数G等参数，诸如此类的讨论都是不恰当的。因为这几个参数实际上是任意的，它们的取值只决定于你用怎样的单位。

与此同时，某些人鼓吹的“值得注意的”高精度其实容易造成严重的误解，因为这些精度实际上依赖于单位选取。例如，神学家John Jefferson Davis声称：“如果中微子的质量是5乘以10的-34次方而不是-35次方千克，那么由于它们在宇宙中含量丰富，多余的质量就会造成宇宙的收缩而不是膨胀。”听上去这似乎是微调了10的35次方的量级，然而正如哲学家Neil Manson所指出的那样，这个说法其实就好像是：“如果Michael Jordan的个头比10的16次方分之一（也就是1米）更小，那么他就不会成为最伟大的篮球运动员”。顺便提一下：Davis对中微子质量的估计并不精确。实际上，我们现在尚不知道每种中微子的质量，因为实验上只测到了各种中微子之间的质量差。而且，如果中微子的质量增大十倍，并且在宇宙中的含量同时减小十倍，则它们对宇宙引力的贡献不会变化。所以从各个角度看，这种关于中微子质量的微调论断都是失败的。

接下来让我们考虑人择条件5，它断言为了产生碳元素，需要微调机制。对此，Nobel奖得主、物理学家Steven Weinberg指出，恒星中合成碳元素的过程并不十分依赖于Hoyle所预言的7.65MeV的核能级，而是依赖于由三个铍原子核所合成的放射性碳原子核的状态。而这个状态离达到碳合成的要求还差20%。不过，正如Weinberg所说，“毕竟关系不大”。

简言之，微观物理中大部分所谓的微调问题其实都是一些旁观者提出的。这些人并不十分精通物理，但是却不断地玩弄数字，直到出现一个支持他们信仰的结果。可是，这些信仰往往并非来自客观的科学分析。

5、真空能难题

尽管人们一般认为真空是既无物质也无能量的虚空，但是引力势能的确可以贮藏在空间的曲率中。另外，量子力学理论显示，真空具有零点能，它是能量的最小点。

Weinberg大概是高调谈论真空能难题（即上文中的人择条件2）的第一人。他将此难题称为“宇宙学常数问题”，因为在Einstein的广义相对论中，真空能等价于一个宇宙学常数，它描写了空无一物的空间的曲率。

理论计算所获得的真空能密度，比实际观测所允许的最大值，还要大出120个量级。由于真空能密度是常数，故而在早期宇宙中，似乎的确需要120个量级的微调，以使今天的密度允许生命的存在。

直到最近，人们仍然认为真空能密度很有可能严格为零，因为在这种情况下不需要微调的操作，宇宙学常数问题就可以被消解了。然而在1998年，两个独立的研究组在对远距离超行星的研究中令人吃惊地发现，宇宙在加速膨胀。新近的研究也证实了这个结果：宇宙在向上落！宇宙加速膨胀的来源被认为是某种尚不清楚的“暗能量”，它们构成了我们宇宙总能量的70%。对于暗能量，一种可能的解释是，宇宙学常数产生了排斥性的引力，也就是说，广义相对论允许真空能产生排斥性的引力。

如果这是事实，那么宇宙学常数问题将再次浮出水面。然而与此同时，我们现在可以较为合理地认为，原先对真空能的计算是不完全的，恰当的计算实际上可以给出严格为零的真空能密度。在这种新算法被推翻之前，我们还不能下结论说，真空能就是为生命而微调过。因此，也没有强烈的必要去祈求造物主神灵的帮助。

但是，这样一来，宇宙的加速膨胀又是由谁造成的？暗能量的本质又是什么？事实上，宇宙学常数也许并不是排斥性引力的唯一来源。根据广义相对论，对于任一种物质，只要它产生的压强足够的负，它就能造成排斥性的引力。理论家提出，暗能量的来源也许是一种物质场，它被称作“第五元素”。当然，它不需要微调。

（待续）

下面贴几张图片，以便使我们对暗能量有一点直观的认识：

1、“暗能量”，一种营养补品：

2、“暗能量”，一匹赛马：

3、“暗能量”，太阳镜品牌：

4、“暗能量”，一个猪的品种：

2009年6月21日星期日

人择原理（一）

(博主按：一直以来打算写一点关于人择原理的东西。虽然我并不完全相信它，但我认为目前的确不能完全排除某种人择的假定。另一方面，讨论人择原理的文献已经足够深入与庞杂，因此与其自己瞎写，不如找一篇介绍性的文字与各位同学共同欣赏。以下的文章来自物理学家Stenger为The Encyclopedia of Nonbelief所撰写的词条。我的翻译遵循灵活原则，达意即可。好在这不是文学作品。原文较长，计划分三次贴出。)

人择原理

Victor J.Stenger

鲜于中之译

1、人择条件

1919年，数学物理学家Hermann Weyl提出这样一个问题：为何两个电子之间的电磁力与万有引力的比值N1是一个如此巨大的数：10的39次方。使Weyl感到疑惑的是，这样大的数为何会成为事实。按照他的直觉，在描写系统的物理性质时，那些诸如圆周率之类的不带任何单位的“纯”数，应当只在1附近的小范围内出现。否则，为什么会是10的39次方，而不是57次方或者-123次方？Weyl认为，存在某种规律，是它选择了10的39次方。

接下来在1923年，天文学家Arthur Eddington也表达了类似的观点：“很难想象在一个描写事物的方案中出现一个比1差很多量级的纯数，不过我们也可以解决这个问题。途径就是：考虑这个世界中所有粒子的总数。我们可以将其他纯数与这个量联系起来。至于粒子总数本身，则可能是由某种偶然因素决定的。”他估计的这个粒子总数N的量级，大致在10的79次方，今天被称为“Eddington常数”。瞧，N差不多就是N1的平方。

到了1937年，物理学家Paul Dirac意识到，N1与另一个纯数同量级，那就是恒星的典型寿命与光穿过质子用时的比N2。他发现这两个看似无关的数的量级大体相同。如果说出现一个量级很大的纯数已经很不可思议了，那么另一个与此无关的纯数恰巧和这个纯数同在一个很大的量级，这是否更不可思议？

再后来，1961年，天体物理学家Robert Dicke指出：N2必须足够大，以使恒星的寿命足够长，这样它才能合成足够多的重元素，比如碳。更进一步，他说，对一个有重元素的宇宙而言，N1和N2必须同量级。这是人称“人择条件”的第一个例子。这个条件是说，为了生命出现在宇宙中，这些看似无关的物理量间的联系似乎是必须的。

从文献中可以找出大量运用人择条件的例子，以下几个尤其突出：

1、电磁力比万有引力强39个量级。如果不是这样大的量级，那么在生命有可能产生之前很早，恒星就塌缩掉了。

2、宇宙的能量密度要比某些理论估计小120个量级。假若宇宙的能量密度恰如某些理论所估计的那样大的话，这个宇宙早就爆碎了。

3、电子的质量一定要比中子与质子的质量差还小。这样一来，自由的中子就可以衰变成质子、电子和反中微子。否则，中子将会是稳定的，于是早期宇宙中的大部分电子和质子将会合成中子。这样几乎没有多余的质子（也就是氢元素）存留下来，作为恒星的燃料。

4、中子必须比质子重，但不能重得太多。因为，原子核之所以能把中子束缚住，就是依靠能量守恒来阻止核内的中子衰变。如果中子太重，那么它在原子核内也没法躲开衰变。没有中子，也许就无法合成重元素。然而重元素是构造一个像生命这样的复杂系统所必须的。

5、碳原子核的激发能大致在7.65百万电子伏特（MeV）左右。如果不是这样，恒星无法为生命合成足够多的碳元素。值得指出，天文学家Fred Hoyle使用这个人择条件，在碳核激发能被实验真正测到之前就预言了它。

2、人择原理：三个版本

1974年，天文学家Brandon Carter提出了 “人择原理”的概念。这个原理声称：人择条件并不只是偶然的结果，而是以某种方式植入了宇宙的结构中。他本人提出了两个版本的人择原理。其中的“弱人择原理”(WAP)为：

我们必须接受这样的事实：我们在宇宙中的位置必须被特别地设定，以使其与我们作为观测者这个事实相容。

Carter的强人择原理（SAP）说：

宇宙（以及依赖于它的各种参数）必须使得它自己能在某个时刻创造出观测者。

更多作者随后提出了人择原理的其他版本，在文献中可找到不下三十种。这里我只引述三个，它们是数学家John Barrow和物理学家Frank Tipler在关于此主题的大作中提出的。其中的两个是对Carter表述的改装。Barrow & Tipler 的弱人择原理说：

物理量与宇宙量的观测结果对于各个不同的数值并不等可能。它们的取值需要被这样的条件所限制：应当存在一个区域来产生以碳元素为基础的生命（碳基生命），而且为了做到这一点，宇宙必须足够老。

注意，Barrow & Tipler要求存在“碳基生命”，而Carter只是要求存在“观测者”。这是一个更好的选择，因为很多人择调节的确与碳元素有关，不管是直接还是间接。

Barrow & Tipler的强人择原理说：

宇宙必须有这样的性质，它们允许生命在其演化历史的某个时段出现。

注意，这三位先生都强调宇宙“必须”具有某些性质以允许生命出现，至少是允许“观测者”出现。于是，强人择原理暗示宇宙中内嵌了某种意图或目的。

Barrow & Tipler 补充了“终极人择原理”（FAP）：

智能的信息过程一定要出现在宇宙中。而且一旦出现，就不会消失。

这里需要请读者注意，“人择原理”和“人择条件”的说法都是误称。因为，除了提出人类所属的“碳基生命”，这些条件中并没有要求出现人类，也没有要求碳基生命一定要进化出智能。

3、人择，意味着什么？

大部分物理学家和宇宙学家将弱人择原理视作同义反复。的确，各种自然常数当然要调节到适合我们这种形式的生命出现。否则我们就不会出现在这里讨论这些问题了。

然而人择条件的难题的确使人吃惊。人们想知道，对于宇宙的规律，它意味着什么。Barrow & Tipler提出了强人择原理的三种可能结果：

(A) 存在唯一的宇宙，它为产生并支持“观察者”的目的而设计。

(B) 必须有观察者出现，宇宙才能存在。

有宗教倾向的人将条件(A)视为上帝作为造物主存在的证据，而且这个上帝恰好就是那个为他们所崇拜的上帝。他们问道：如果不是为着一个目的、为着创造生命乃至人类的目的，宇宙如何可能获得这样一组经过精巧调节而适宜生命出现的物理参数呢？

然而这段讨论没有要求这个造物主就是某种特殊信仰中的上帝。实际上，“设计”似乎也能被解释为一个自然的过程，例如类似达尔文进化论中自然选择的过程，或者是今天的科学还无法解释的某种内建于宇宙中的结构。

结论(B)来自对量子力学带有神秘意味的误读。虽然近年来大量的通俗读物都以此为基础，但是几乎没有物理学家严肃对待它。

陈述(C)提出，存在多宇宙。我们恰好生活于其中一个适宜我们这种类型的生命生存的宇宙。我们将在稍后讨论这种可能性。

预告：

4、微调，旁观者的游戏？
5、真空能的难题

2009年6月20日星期六

斯克里亚宾：走火入魔，后果自负

斯克里亚宾是音乐家中的异类。在十九世纪末到二十世纪初流派纷呈的音乐史中，我们很难分辨出他到底属于哪一派，却可以从其他领域找到与他性格相投的人物。据说他曾在自己未发表的笔记中写道“我是上帝”。仅此一句就让人不禁想起尼采。仔细考察其音乐就会发现，他与尼采的相似之处其实远不止于此。比如，至少在我看来，两人都有精神失常的倾向。当然，尼采最后真的疯了。

斯克里亚宾与拉赫玛尼诺夫自小是同学，两人同修音乐，日后皆成为一代钢琴与作曲大师。然而今天斯克里亚宾的影响似乎远不及拉赫玛尼诺夫。除了拉赫玛尼诺夫后来移居美国而赚得大名之外，一个重要的原因，我觉得是斯克里亚宾的思想过于怪异，常人无法理解。相较于拉赫玛尼诺夫深沉大气的音乐以及这种音乐背后坚强稳定的性格，斯克里亚宾显然更像是一个神经敏感而脆弱，而且有一点精神失常的幽灵。

斯克里亚宾的音乐，尤其是后期作品，充满着他自称“神秘主义”的哲学，这也许是德国人理查•施特劳斯梦寐以求但并未真正达到的境界。这叫我费解。从斯克里亚宾的奏鸣曲与交响曲中，一种不断搅动的诡异力量扑面而来，它们在试图传播作者的哲学，但却无法叫人参透。有人形容，听布鲁克纳交响曲像是经历一场重感冒：病中不知健康的感觉，痊愈后又忘了病中的感觉。我以为拿它来形容斯克里亚宾也很合适。

进入斯克里亚宾的世界，一个不错的入口是他作品第八号的十二首练习曲。这套作于1894年（作者时年22岁）的钢琴曲毫无掩饰地展示出一颗充满浪漫气息的心灵，夹带着复杂而近乎病态的情趣。强烈的自闭倾向。一种来自深宅的，书卷气极重的，然而又不够成熟稳健，像是醉酒后的情绪化表达。各种矛盾的因素在一起组合出一种古怪、神经质、充满诱惑力、具有强烈致幻作用的旋律。

与他后期那些近乎无调性的作品相比，这十二首作品调性清晰，但是伴随着无数令人吃惊和战栗的转调。往往是在这些转调的关节处，作者的病态性格暴露无遗；也是在这些转调处，一种难以名状的神秘的魅惑力弥漫开来。在第二首中的连续数次转调，对我来说像是跌入深渊时自由下坠的绝望与解脱；而第四首又像是一片重重迷障的彩色迷宫，白色的背景上面点满了鲜红以及一些不干净的浅青蓝色。

这些钢琴曲带着斯克里亚宾指纹化的个性印记：旋律破碎。一团整体模糊但细节清晰的流动。上面的列举的两首，都是左手持续的三连音、右手持续的五连音、四连音。音乐的心率消失了，破碎成精细而颤抖的流动。一切都在令人不安地漂移。好在不乏热情。

斯克里亚宾早年极其崇拜肖邦。据说睡觉时都要将肖邦的乐谱置于枕下方能睡得安稳。在这十二首练习曲中，第三首可以说纯粹是肖邦前奏曲的翻版了，但绝对是亚健康的。色调阴郁，从第一小节铺撒开来的旋律带着惊惶的疑问，汹涌奔流，直到一段令人稍感安慰的中段进入。可是这短暂的平静瞬间淹没于一串令人困惑的表达，多愁善感而令人心碎的吟唱。最终复归于混沌不安的流动。然而结尾的方式很传统。

另外值得一提的是最后三首。第十首，一段短小而放松的音乐，实属罕见。斯克里亚宾似乎在描写小精灵的集会。小提琴神童拉宾(Rabin)曾经录过这一小段。小提琴改编版使人印象深刻。

第十一首略显特殊，沉稳的进行类似拉赫玛尼诺夫。一派阴沉的俄罗斯旷野的画面。积雪与枯树。虚弱而忧郁。暗色调的结冰的湖面。凝滞在天空而面色苍白的云。

最后一首似乎是十二首中最有名的。也是霍洛维茨爱不释手的小曲。虽然也很神经质，但总算靠近传统。一如既往，不停的转调激起人急速飞入深渊的快感，妙不可言。

免责声明也许是必要的。对于这些音乐，神经过于脆弱和敏感者慎用，另外也不宜大量服用。废话我已说得够多，所以一旦走火入魔，后果请自负。

语言是苍白的。

这里是Paley演奏的Scriabin钢琴练习曲（全集）的CD下载链接，此链接有只保证短期有效，欲下从速。