《時間簡史》...對時間、宇宙、科學和哲學的思考

《時間簡史》，以前在大學裡讀的時候，囫圇吞棗，不求甚解。這次重讀，倒是驚喜地讀出了些科普之外的東西來。

這本書的定位，是科學的基礎入門級讀物，沒有學術性的演繹和推理，也沒有公式和方程。書中使用了大量日常生活的類比，解釋學術名詞和最基本的概念常識。可以看出，霍金為了使這本科普讀物通俗易懂，為普通讀者們費了很大的心思。

我們為什麼要學習科學？為什麼要看科幻小說？有一種說法：仰望星空，是人類進步的源動力。換言之，人類社會的認知能力、科技水平的提高，乃至整體物種的進化，需要通過對未知的宇宙的探索來實現。

對我們讀者來說，閱讀科學作品的意義，上升不到全人類這樣的高度，但至少，可以讓我們意識到自己的淺薄，以便收起我們的傲慢。正如大劉在《三體》里的那句名言：「弱小和無知不是生存的障礙，傲慢才是。」

-1- 時間

眾所周知，相對論改變了時間的絕對性。時間的流逝速度不再是一把恆定的標尺，每個人都有屬於自己的時鐘。廣義相對論預言，時間會受到質量的影響，比如在地球這樣的大質量物體附近，時間會流逝得慢一些，因為光能量和頻率的關係是：能量越大，則頻率越高。因此，我們在買房時如果選擇一樓的話，可能會比頂樓的鄰居活得更「久」那麼一點點。

同時，時間和空間組成的時空並不只是靜止的背景圖，時空中的物體運動時，會影響時間和空間的曲率；而時空的結構，又會反過來影響物體運動的方式。

本書中對於時間這個話題最有趣的討論，來自於是「時間箭頭」。

時間一直向「前」流逝，是我們生活的慣性。可是為什麼時間的方向一直是向「前」的？是否存在時間向「後」的可能性？

劉慈欣寫過一則短篇：《坍縮》。背景設定：宇宙目前正在進行的膨脹，是有極限的。當越過那個極限點，引力大於斥力時，宇宙開始收縮。同時，時間開始「反向」流逝，人們會從墳墓里爬過來，由老年狀態開始一生，一直「成長」為嬰兒，回到娘胎中結束自己的一生。

當時並不太理解，為什麼當宇宙開始收縮時，時間也會轉向，時間不應該是一直往前的嗎？時間的方向怎麼會由宇宙的膨脹或收縮來決定呢？

霍金在這本書里很好地回答了我的問題。如果把時間的方向稱為「時間箭頭」，一共有三種，一是熱力學時間箭頭，在這個時間方向上，無序度（熵）增加；二是心理學時間箭頭，是人類感覺到的時間流逝的方向；三是宇宙學時間箭頭，在這個時間方向上宇宙在膨脹，而不是收縮。

首先，霍金論證了：心理學時間箭頭，是由熱力學時間箭頭決定的。也就是說，我們所感知的時間的「前」方，是一個「越來越混亂」的世界。比如杯子砸到地上碎了，買的新衣服越穿越舊了，吃進肚子的食物變成屎了……所以當你發現你的生活變得一團糟時，不要沮喪失望，其實這就是宇宙所設定的時間的方向——更糟的還在後面呢。

再來，為什麼宇宙學時間方向也相同呢？如果宇宙的膨脹有終點，那勢必宇宙會有開始收縮的那一天。彼時的時間箭頭將反向。對此，霍金的解釋是，宇宙並非像相對論所預示的那樣，有開端和終結的奇點。「時間和空間可能會共同形成一個在尺度上有限卻沒有任何邊界或邊緣的面」，在這樣的無邊界條件下，即使宇宙開始收縮，其無序度也會繼續增加，因此，熱力學和心理學時間箭頭不會反向。

從人自身的角度出發，以前以為智慧型生物，作為「低熵者」，讓混亂變得有序，是熵減的。霍金告訴我們，人類為了生存下去，把食物轉化為熱量這個過程，本身就是熵增的。其它那些讓世界變得有序的事情，從無序到有序的熵減，小於在其過程中消耗的能量增加的無序度所導致的熵增。因此，智慧生物只能生存在熵增方向的時間箭頭裡，所以我們觀察到熱力學和宇宙學的時間箭頭是一致的。

腦子轉的快的讀者可能意識到了，以上這段的邏輯，相當於「因為人類只能在這樣的宇宙中生存，所以宇宙是這個樣子的。」人類存在竟然成了宇宙現狀的前提？天啊，多自大的人，才敢說出這樣的話？

當我讀到「人存原理」時，第一感正是如此。我幾乎不敢相信，這是頂尖科學家霍金所表達的觀點。

-2- 宇宙

「人存原理」不僅用來解釋時間箭頭，還被用來解釋整個宇宙：

「為何宇宙是我們看到的這種樣子？」答案很簡單：如果它不是這個樣子，我們就不會在這裡！

宇宙為什麼在膨脹？宇宙為什麼往任何方向看都是一樣的？宇宙為什麼會以大爆炸的形式開始？甚至，宇宙為什麼存在？這些問題，竟然科學家也會用「人存理論」來野蠻粗暴地回答。

不僅如此，在討論宇宙的起源時，「上帝」也是一個繞不過去的詞。

比如，假設大爆炸模型是正確的，則需要仔細選擇宇宙的初始態。所以，除非上帝有意創造我們這樣的智慧生物，否則很難解釋，為何宇宙只用這種方式開始。

比如，如果上帝使宇宙以這種不能理解的方式開始，為何上帝又選擇讓它按照可以被我們理解的定律去演化？

再比如，科學定律並沒有告訴我們，宇宙在爆炸的那個點到底發生了什麼，上帝依然需要承擔卷緊發條的職責，並選擇如何去啟動這個模式——只要宇宙存在一個開端，我們就需要設想存在一個上帝。

牛頓晚年時，信奉上帝，很多人無法理解，為什麼代表先進理念和技術的科學家，會和落後愚昧的宗教扯上關係。其實，無法理解的人們，並沒有意識到，科學研究到了深處時的發現或障礙，反而讓科學家們不得不相信上帝存在的可能性。

霍金在支持大爆炸理論之後，又推翻了這個觀點。在他看來，宇宙有一種新的可能的行為，即在前文中已經提到過的：時空有可能在範圍上是有限的，卻沒有形成邊界或邊緣的奇點。就像地球一樣，沒有邊界，也沒有邊緣。因此，宇宙並不一定有開端和終結的奇點。這樣的話，脫離了開端和終結宇宙，其存在就是存在本身。宇宙的存在，似乎就可以脫離上帝的設定。當真如此嗎？霍金並沒有給出答案。

-3- 科學的局限性

科學的目的是什麼？科學的終極目的，是提供描述整個宇宙的單一的理論。

科學理論是什麼？霍金的觀點非常樸素：

「理論只不過是宇宙或它的受限制的部分的模型，以及一套把這模型中的量和我們做的觀測相聯繫的規則。它只存在於我們的頭腦中，不再具有任何其他（不管在任何意義上）的實在性。」

總結來說，科學的兩大特徵，是和我們平時的常識相悖的。

一是「可證偽」。意思是，任何物理理論都是臨時性的，是永遠不可能被證明的。不管過去多少次的實驗結果和某個理論相一致，也永遠不可能斷定下一次結果不會與它矛盾。只要找到一次和理論預言不一致的觀測事實，就可以證偽。

二是「實用性」。我們都知道相對論推翻了牛頓理論，但由於牛頓理論和相對論的預言之間差異非常小，所以為了實用的目的，我們仍然實用牛頓理論。

我們從這兩個特點中，可以看出科學並沒有想像中那麼高高在上。科學也不一定就具有「真相潔癖」。歸根到底，科學理論只是一個「暫時沒有被證偽的實用性理論」，而已。

但是，科學的局限性，並不代表著「不可知論」和「科學無用論」，民科更無須歡呼雀躍，科學的價值，是不屑與民科這類旁門左道相比較的。

科學理論，必須能準確地描述大量的觀測結果。並且，能對未來觀測的結果作出明確的預言。如果理論在數學上是協調的，並總能給出與觀察一直的預言，我們便可以適度地相信這個理論的正確性。這，便是科學和民科的本質區別。因此，人類的生活和進步，都離不開科學。

之所以連科學都無法成為純粹的真理，局限性主要在兩點，一是量子力學的不確定性，對預言能力的限制；而是在數學工具上，人類也仍未能隨心所欲地解出理論所需要的方程。比如三體運動，看似如此簡單的模型，都只能有特定解，要用方程描述宇宙中無數顆星球之間運動，何嘗不是天方夜譚？

當霍金在書中提到「我們現在也許已經接近探索自然終極定律的尾聲」時，我真心地感覺，這話說得太樂觀了一點。

-4- 科學和哲學

除了繞不過的上帝外，我在閱讀中的感受，是科學和哲學存在著千絲萬縷的關係。

首先是人類求知的最深切的意願，驅使著我們取思考這些問題：我們為何在此？我們從何而來？宇宙的本質是什麼？我們在其中的位置如何？宇宙為何是這個樣子？

這不僅是科學試圖回答的問題，對於哲學和宗教也是如此。探索方式各不相同，目標確實殊途同歸。

其次，量子力學的出現，把科學和哲學的界限，在某種程度上模糊了。科學基於數學的推導和觀測的驗證，應用於對未來的預測。當量子力學把非預見性和隨機性的不可避免因素引進科學後，不管是觀測，還是預測，都受到了嚴重的影響。量子的觀察者和坍縮態、薛定諤的貓、波粒二象性，在傳統的科學理念中簡直是不可想像的，類似於所謂「偽科學」的唯心主義。以波粒二象性為例，為了某些目的，需要將粒子考慮成波，才是有用的，而為了其它目的，則需要把波考慮成粒子——「嚴謹」的科學，怎麼可以如此隨意，類似兒戲？再比如，從量子理論和熱力學定律推導出，粒子是可以從黑洞之外的「空虛」的空間中來的——「無中生有」，感覺是不是很神棍？

霍金是一個富有哲學思辨能力的科學家。他問到：

「如果真有一個完整的統一理論，則它大概也將決定我們的行動。這樣，理論本身就決定了我們對之探索的結果！那麼為什麼它保證我們從證據得到正確的結論？難道它不也可以同樣地保證我們引出錯誤的結論嗎？或者根本沒有結論？」

這樣的問題，已經超越了科學的範疇，而不得不到哲學領域裡來找答案了。

霍金在論證宇宙的「無邊界」性時，引入了「虛時間」的概念，簡單但不準確地說，是時間具有「虛數」的數值。在實時間裡，宇宙具有開端和終結的奇點，而虛時間裡，奇點不存在。因此霍金推論，很可能「虛時間」才是真正的更本質的時間的概念，而「實時間」反而是我們所臆造的，僅僅是為了讓我們更容易描述宇宙的模樣而已。

科學理論只不過是我們用以描述自己觀察的數學模型：它只存在於我們的頭腦中。所以去問諸如這樣的問題是毫無意義的：「實的」或「虛的」時間，哪一種是實在的？這僅僅是哪一種描述更為有用的問題。

這和哲學中一直討論的本質、本體的問題，在以觀測為基礎的科學中，同樣找不到答案。

20世紀以後，哲學的發展陷入了停滯的境界，甚至已經被宣布終結。而科學一騎絕塵，除了少數人之外，變得過於專業性和數學化。一邊是研究的結果不斷指向和哲學殊途同歸的方向，一邊是科學家和哲學家在身份上的涇渭分明。

康德曾說過：這世間有兩樣東西讓我們越思考越是迷惑，一是我們頭頂的星空，一是心中的道德律。

我預感，未來解開迷惑的希望，將會在那些同時具備數學能力和哲學思想的人類頂尖智者們身上。