“西医底蕴”反思(九)之『物理迷途』

兮招天

　　其实反对相对论的巨星级物理大师历史上大有人在。洛仑兹就不接受相对论，它并且抛弃了他自己提出的速度使长度缩短的假设，即我们现在教科书中普遍采用的洛仑兹变换和洛仑兹缩短。爱因斯坦则终生没有接受量子力学。上世纪五十年代关于相对论钟佯谬问题有过一场剧烈的争论。认为相对论逻辑上必然导致钟佯谬的一派的旗手是当时任英国皇家天文学会主席的丁格尔 (Herbert Dingle)。至于对宇宙大爆炸的争论从来就没有停止过。目前全世界几百个科学家联署了一封公开信，抗议大爆炸理论家们对科研经费和学术刊物的垄断。理论物理学界对大爆炸理论的许多前提和结论，尤其是与其相关的一些理论诸如膨胀理论，超弦理论等等，也颇多质疑。在这些批评中，经常可以看到 "伪科学"，" 神学"，"形而上学"，"唯心主义"等字眼。如果这些字眼出现在当今中国的报刊上，非被骂为"左派教条"，"文革余毒"不可。

　　唯物主义和唯心主义本来只是哲学上的两大派别，和政治并无多大关系。唯物主义和唯心主义的争论早在古希腊时期即已开始。伟大的哲学家如亚里斯多德，伟大的物理学家如开普勒，哥白尼和伽利略都是唯物主义者。同样伟大的哲学家柏拉图和伟大的天文学家托勒密则是唯心主义者。现代国际学术界的唯物主义者和唯心主义者都以自己的主义而自豪。唯物主义者们自认是科学的捍卫者，以反对神学创造论为己任。唯心主义者自认是爱因斯坦的追随者，以能超越客观世界而骄傲，自信只有他们才有抽象思维的能力理解现代物理理论的真谛而有希望成为未来的伟大发明者。希望中国学术界也能有这样的学术气氛，大家都可以尽情地彻底地表达自己的意见。不要一听到"形而上学"，" 唯心主义"，"唯物主义"这些字眼就以为文化革命又来了。这些词必竟用了多少个世纪了，一时也找不到能透彻地表达同样内涵的词来替代，而且国际学术界今日也都在用。为了和国际接轨，不妨姑妄用之。

　　一个不可否认的事实是，唯物主义在科学从黑暗的中世纪的神学中解放出来的斗争中起了关键的作用。而随着物理科学在十九世纪的确立，物理学研究基本上遵循着唯物主义，即任何科学理论必须能够解释自然现象，经受实验和逻辑的检验。即使在唯心主义盛行的某些领域，理论最终逃脱不了实践的检验。这是国际学术界一个不变的原则。

兮招天

　　我同意华新民先生不要把诺贝尔奖看得太重的意见。不要让荣誉和金钱左右学术讨论。诺贝尔奖代表当代学术界对本年度学术成就的评价，代表当代学术潮流，但不能作为真理的定论。任何奖项的评定都不可避免的带有不同程度的主观和非学术性因素。诺贝尔奖也不例外。对中国学术成就的评价，也不能以是否拿了诺贝尔奖为尺度和标准。 二零零六年诺贝尔物理奖颁给了美国戈达德空间飞行中心 (Goddard Space Flight Center) 的马塞斯 (John Mathers) 和加利夫尼亚大学的斯穆特 (George F Smoot) 。奖励他们对宇宙本底辐射(Cosmic Background Radiation, 简称CBR) 测量做出的贡献。这一工作的重要性在于宇宙学界认为CBR的测量数据为宇宙大爆炸理论提供了实验证据。值得注意的事，同一工作为彭齐亚斯 (Arno Penzias) 和威尔逊 (Robert Wilson) 赢得了1978 年的诺贝尔物理奖。可见CBR 研究工作的份量 。

　　但是如果以为这两个诺贝尔物理奖就意味着物理学界确认了宇宙大爆炸理论，则是完全的误解。事实上，如果宇宙大爆炸理论是正确的，这些诺贝尔物理奖就应该颁给在宇宙大爆炸理论中做出了里程碑性的工作的巨星，比如皮伯尔斯（P.J.E. Peebles）或霍金 (Stephen Hawking)。宇宙大爆炸理论的许多预言和相关结论，诸如物质守恒定律和能量守恒定律的破坏，相对论原理的破坏，光速极限原理的破坏，Higgs 粒子，重中微子，弱作用重粒子(WIMP), 超弦，暗物质，磁单极，超光速膨胀，质子衰变，量子泡沫理论，黑洞理论，高维空间，多重宇宙，宇宙斥力，逆时间旅行，时空隧道旅行等等，就其对物理学的整个理论体系产生的冲击来说，不仅比之CBR实验要重要得多，就是和以往任何一年的诺贝尔物理奖的工作相比，也像泰山比之卵石，不可同日而语。毫不夸张地说，宇宙大爆炸理论导致不下于一打革命性的理论，可能推翻半打物理学的基本原理。其中任何一条如果证明是真，其重要性远非一两个诺贝尔奖可以衡量。

　　物理学界和诺贝尔奖评审委员会是谨慎的， 只颁奖给CBR实验 测量。无论宇宙大爆炸理论正确或错误，实验结果总是有科学价值的。英文 evidence 一词, 可以翻译为 " 实验证据"或者 "实验支持"， 这词 和"证明"（proof）是完全不同的。事实上， CBR 测量实验结果对于宇宙大爆炸理论虽然提供了某种支持，也带来了著名的难题。下面我们对此作一些较为详细的讨论。

兮招天

　　宇宙本底辐射（CBR）和大爆炸理论的关系。

　　上世纪六十年代初，狄克 （Robert Dicke）试图用一个封闭的振动宇宙 (Oscillating universe) 模型来解释宇宙中氦的组成。当时的星际合成理论(Stellar synthesis theory) 已能成功地解释重元素的组成，但不能解释氦的组成。狄克将这一课题交给他的学生皮伯尔斯。皮伯尔斯发现问题的关键在于能质比(ratio of energy to mass)。如果能质比等于一千亿光子比一个质子，他的爆炸模型就能给出正确的氦的组成-25% 。根据这一模型他推算出宇宙本底辐射的温度为20 oK。在狄克的鼓励下，皮伯尔斯在 1965 年开始着手建立一个射电望远镜，以期通过实验证实他的理论推想。这时，贝尔电话公司的彭齐亚斯和威尔逊偶然地观察到了接近这一频段的宇宙本底辐射。这一发现立即成为纽约时报的头条新闻， 并被认为是大爆炸曾经存在的实验证据。彭齐亚斯和威尔逊因此赢得了1978 年诺贝尔物理奖。

　　彭齐亚斯和威尔逊的实验量出的宇宙本底辐射温度为 3.5 oK，比皮伯尔斯的理论值小九倍。根据热力学的斯蒂芬-波尔兹曼定律，黑体辐射的能量和温度的四次方成正比，所以大爆炸理论给出的宇宙能量比实验测量的大几千倍。狄克告诉纽约时报，他的研究组预言的宇宙本底辐射温度为 10 oK，但这一数值在他们组发表过的任何文章中都找不到。但即使是三倍的温度差别，也将导致约两个数量级的能量差别。

　　许多人忽视了这一差别。皮伯尔斯本人却深知问题的严重性。因为实验量出的如此低的宇宙本底辐射温度意味着宇宙物质密度低到无法使宇宙封闭，而封闭性正是封闭震动宇宙模型的根本。如果强行设定大的宇宙物质密度以使宇宙封闭，将这么低的宇宙本底辐射温度代入他的方程式将导致全部物质变为氦的荒唐结论。即是说，他的大爆炸理论不可能自洽地同时给出氦的组成和宇宙本底辐射温度的正确数值。

兮招天

　　当然，彭齐亚斯和威尔逊测量的宇宙本底辐射温度也不见得准确。

　　1989年，美国宇航局(NASA) 发射了一个宇宙背景探测卫星 COBE (Cosmic Background Explorer), 对宇宙本底辐射进行精确测量。该项目由戈达德空间飞行中心的马塞斯领导。经过多年的系统测量和分析，马塞斯和斯穆特于1992年发表了实验结果，证实了宇宙本底辐射确为黑体辐射，各向异性不到万份之一，温度为 2.7 oK。这一温度比彭齐亚斯和威尔逊的结果还要低。封闭宇宙模型不得不被抛弃。好在有不同的模型可供选择。如果选择开放模型，并且对某些自由参量（如质量密度）作些调整，则可得出氦，氘和锂的正确数值。这被看作是标准宇宙大爆炸理论的主要成就。当然学界对这一成就也不是完全没有异议。异议之一便是方法论问题。宇宙大爆炸理论的特征之一是太多的自由参数。我们知道，如果一个理论中自由参数的个数等于实验数据的个数，则理论公式可以完全精确地拟合实验数据。这种拟合当然毫无意义。一般说来，自由参数越多，可信度越低。如果自由参数比要拟合的数据还多，可信度就大成问题。对此，两个物理学家的意见可以作为启迪。

　　一个是原子能先驱费米 (Enrico Fermi)。他于1953年首次对介子 - 质子碰撞作了精确测量。当时康乃尔大学的物理教授戴逊 (Freeman Dyson) 提出了一个赝标量介子理论来解释他的介子 - 质子碰撞数据。这一理论和实验数据符合得非常好。戴逊于是带着一大包理论计算结果坐上灰狗公共汽车，兴冲冲地到芝加哥找费米请教。费米热情地和他拉家常，有意不提他的理论。戴逊实在耐不住，只好自己切入正题。费米问他：" 您的计算里用了几个自由参数？" "四个。" "我的朋友凡纽曼曾说，用四个参数我可以将任何数据拟合成一头大象。要是有五个参数，我可以让它的鼻子来回摆动。" 戴逊于是解散了他的研究小组而改行做固体物理。不久他又回到了理论物理领域，一直在普林斯顿理论物理研究所工作，对理论物理学有些贡献。戴逊一生感激费米给他指点迷津。 另一个是实验高能物理学家里奇特 (Burton Richter)。他和丁肇中同时发现了 J/Ψ 粒子而共享诺贝尔奖。里奇特在《今日物理》(Physics Today) 杂志 2006年十月号上发表了一篇文章 "粒子物理理论：神学猜想还是实际知识"。文中他谈到超对称时说："比如说，如果Higgs 质量平方发散，就发明超对称让它对数发散。这一发明的代价是带来124 个新的常数。我总觉得这代价太大。" 历史上，实验观察到的轻元素丰度有过多次改变。而大爆炸理论每次都能通过调整自由参数或加入补救措施得到新的数值。议者以为这不是理论预言(prediction) 的先见之明，而是事后诸葛亮的后见之明 (postdiction )。

　　宇宙本底辐射几乎完美无缺的各向同性给宇宙大爆炸理论带来另一个严重困扰：完美无缺的各向同性无法解释宇宙间的大范围结构。如果宇宙真是由大爆炸而来，这种大范围结构一定会反映在早期的宇宙本底辐射上而使其呈某种程度的各向异性。宇宙大爆炸理论预计的各向异性约百分之一，但观测到的各向异性却不到万分之一。

　　但宇宙本底辐射测量结果给宇宙大爆炸理论带来的最大困扰是著名的地平问题 ( Horizon Problem，这词译为地平问题过于生硬，似应译为光波面问题，或因果联络问题)。宇宙本底辐射近乎完美无缺的各向同性和黑体辐射特性证明了这一辐射是一个高度平衡的热力系综。这种高度平衡需要物质的多次碰撞才能实现。可是根据宇宙大爆炸理论，即使粒子以光速运动，也不可能实现这种多次碰撞。不妨考虑大爆炸后三十万年后的去耦合期。根据大爆炸理论公式，此时的宇宙半径约为七千万光年。可光子从大爆炸出世最多也只能跑三十万光年，光程不到宇宙半径的百分之一。遑论其他跑得慢的粒子。简单的计算表明，如果150 亿光年外的两个银河系的角距离大于 2o, 他们在去耦合期根本不可能有因果联络。所以宇宙本底辐射近乎完美无缺的各向同性给宇宙大爆炸理论带来了一个根本性的困难-地平问题，或因果联络问题。

兮招天

　　为了解决地平问题，古斯 (Alan Guth) 在1980年提出了一个膨胀理论 (Inflation Theory)。根据古斯的膨胀理论，宇宙在大爆炸后约 10的负36次方秒到 10负33次方秒经历了一次超光速膨胀，在这短暂的一瞬间宇宙半径膨胀了五十个数量级，地平问题似乎得到解决。至于这种超光速膨胀所需的能量和加速度，似乎不是古斯关心的事情。 膨胀理论的另一个成绩是避免了标准宇宙大爆炸理论的另一个头疼问题 - 磁单极。这使许多大爆炸理论学家喜出望外。但相当多的宇宙学家仍然持保留态度。因为膨胀理论违背了相对论的一条基本原理 - 光速极限原理。而广义相对论正是所有不同版本宇宙大爆炸理论的根基。根据爱因斯坦的相对论，任何物体都不可能超光速运动。把任何质量不为零的物体加速到光速都需要无穷大的能量。把整个宇宙在不到 10负33次方秒的一瞬间加速到超光速更是不可思议。再说，是什么机制在宇宙大爆炸后的10负36次方秒突然启动膨胀并在10负33次方秒突然停止膨胀呢？这种所谓的宇宙膨胀或宇宙相变在可观测的物理世界中找不到任何证据，只能看作是一种为补救地平问题而空想出来的临时性手段 (ad hoc measure)。

　　地平问题的根源在光速极限原理。解决地平问题即是为了拯救光速极限原理。古斯为了拯救光速极限原理而提出一个彻底破坏光速极限原理的超光速膨胀理论，这是最直接的逻辑背理。怪不得有些支持古斯的宇宙学家也不好意思把他的膨胀理论称为理论，而称为膨胀情景（inflation scenario）。总而言之，宇宙本底辐射试验数据对宇宙大爆炸理论是忧喜掺半。而忧比喜更为本质。（完）