物理學如何證明上帝的存在

  • 莫妮卡·格雷迪(Monica Grady)
  • 開放大學(The Open University)
抽象圖案

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如果有上帝,他會遵守物理定律嗎?

我現在是無神論者,但我仍然相信上帝存在。當我在一個研討會聽到下面這個首先由愛因斯坦提出的問題,我被它的深度深深打動:「如果上帝創造了整個宇宙和所有的物理定律,上帝是否遵循上帝創造的律法? 或者上帝可以超越物理定律,比如超過光速旅行,從而能夠同時出現在兩個不同的地方?」了解答案能幫助我們證明上帝是否存在,或者這就是科學經驗主義和宗教信仰的交匯點,而且沒有真正的答案?——大衛·弗羅斯特(David Frost), 67歲,來自美國洛杉磯。

當我收到這個問題的時候,我正因疫情被隔離,也立刻就被問題吸引住了。也難怪這個時機——災難造成的艱難困苦,比如流行病,經常會讓我們質疑上帝的存在:如果有一個仁慈的上帝,為什麼會發生這樣的災難?上帝可能被物理定律「束縛」的想法是一個值得探索的有趣問題。物理定律也支配著化學和生物,因此也決定醫學的局限性。

如果上帝不能打破物理定律,他就不可能像你想象的那樣強大。但如果他能,為什麼我們沒有看到任何證據,表明宇宙中的物理定律被打破?

為了解決這個問題,讓我們把它分解一下。首先,上帝能比光更快嗎?我們就從表面上看這個問題吧。光大約以3×10的5次方公里/秒的速度傳播,即每秒186,000英里(299,500公里)。我們在學校裏學過,沒有任何東西的速度可以超過光速。即使是《星際迷航》中的企業號星艦,當它的雙鋰晶體設置為最大時,它也不能達到光速。

但這是真的嗎?幾年前,一群物理學家假設一種粒子以高於光速的速度運動。幸運的是,它們被認為不可能真實存在。如果它們確實存在,它們的質量大到難以想象,空間和時間的結構將被扭曲——導致因果關係被破壞,這可能會讓上帝頭疼。

到目前為止,似乎還沒有觀察到比光速更快的物體。這與上帝並不相關。它只是強化了這樣一種認識:光確實傳播得很快。

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量子物理學能解釋一個可以同時出現在兩個地方的上帝嗎?

當你考慮光從一開始傳播的距離時,事情就變得更有趣了。假設傳統的宇宙大爆炸和光速3 × 10的5次方公里/秒,那麼我們可以計算出,在宇宙存在的138億年裏,光大約走了1.3 × 10的23次方公里。更確切地說,這是可觀測宇宙的存在。

宇宙膨脹的速度約為每Mpc 70公里/秒(1 Mpc = 1百萬秒差距或約3000萬公里),因此根據目前的估計,到宇宙邊緣的距離為460億光年。隨著時間的推移,空間的體積增大,光要經過更長的時間才能到達我們。

宇宙比我們所能看到的要多得多,但我們看到的最遙遠的物體是一個星系GN-z11,它是由哈勃太空望遠鏡觀測到的。這大約是1.2 × 10的23次方公里,也就是134億光年,這意味著這個星系的光需要134億年才能到達我們這裏。但當光「出發」時,該星系距離我們的星系銀河系只有大約30億光年。

我們無法觀察或看到大爆炸以來成長起來的整個宇宙,因為光在不到一秒的時間內到達我們這裏。一些人爭辯說,我們因此不能確定物理定律是否會在其他宇宙區域被打破,也許它們只是局部的、偶然的定律。這將我們引向宇宙之外的事物。

多元宇宙

許多宇宙學家認為,可能有一個更大的宇宙存在,我們目前定義的宇宙可能只是其中一部分。一個多元宇宙,包括許多不同的小宇宙共存,但不相互作用。多元宇宙的觀點得到了膨脹理論的支持——膨脹理論認為宇宙在10^-32秒之前就已經膨脹得非常厲害了。膨脹理論是一個重要的理論,因為它可以解釋為什麼我們周圍的宇宙有著我們所看到的形狀和結構。

但是,如果宇宙膨脹可以發生一次,為什麼不能發生很多次呢?我們從實驗中知道,量子漲落可以導致粒子對突然出現,但片刻之後就消失了。如果這種漲落可以產生粒子,為什麼不能產生整個原子或宇宙呢?有人認為,在宇宙膨脹時期,並不是所有的事情都以相同的速率發生——膨脹中的量子漲落可能會產生氣泡,然後爆炸形成宇宙。

但上帝是如何融入多元宇宙的呢?令宇宙學家頭疼的一個事實是,我們的宇宙似乎經過了微調,適合生命的存在。在大爆炸中產生的基本粒子具有正確的屬性,使氫和氘的形成成為可能——這些物質產生了第一代恆星。

這些恆星中核反應的物理定律產生了構成生命的物質——碳、氮和氧。為什麼宇宙中所有的物理定律和參數恰好都能讓恆星、行星和生命發展?

有些人認為這只是一個幸運的巧合。其他人說,我們不應該對神奇的物理定律感到驚訝——畢竟它們造就了我們,那麼我們還會看到什麼?一些有神論者認為,這表明存在一個創造這些有利條件的神。

但上帝並不是一個有效的科學解釋。相反,多元宇宙理論解決了這個謎團,因為它允許不同的宇宙有不同的物理定律。所以,我們碰巧看到自己身處少數幾個可以支持生命存在的宇宙之一,也就不足為奇了。當然,你無法反駁上帝可能創造了多元宇宙的觀點。

這都是假設,對多元宇宙理論的最大批評之一是,因為我們的宇宙和其他宇宙之間似乎沒有相互作用,那麼多元宇宙的概念無法直接測試。

量子不可思議

現在讓我們考慮一下上帝是否可以同時出現在一個以上的地方。我們在空間科學中使用的許多科學和技術都是基於反直覺的理論,該理論認為原子和粒子的微觀世界是量子力學。

這個理論支持了所謂的量子糾纏:詭異的連接粒子。如果兩個粒子糾纏在一起,當你操縱它的時候,你會自動操縱它的搭檔,即使它們相距很遠,而且兩個粒子沒有相互作用。也有關於糾纏的描述比我的更好——但這個足夠簡單,我可以理解。

想象一個粒子衰變成兩個子粒子,a和b。子粒子的性質加起來必然等於原始粒子的性質——這就是守恆原理。例如,所有的粒子都有一種被稱為「自旋」的量子特性——粗略地說,它們運動起來就像微小的指南針。如果原始粒子的自旋為零,那麼兩個子粒子中必然有一個自旋為正,另一個自旋為負,這意味著a和B都有50%的機率自旋為正或負。根據量子力學,在你真正測量它們之前,粒子被定義為處於不同狀態的混合體。

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阿爾伯特·愛因斯坦將量子糾纏描述為「幽靈般的遠距離行為」。

A和B的性質並不是相互獨立的,它們是糾纏在一起的,即使它們位於不同行星上的不同實驗室。如果你測量它的旋轉, 你發現它是正向的,然後想象一個朋友在完全相同的時間測量自旋的B,為了維持物理原理,她必須證實B的自旋是反向的。

但這就是事情變得模糊的原因。就像亞粒子A, B有50:50的機會是正的,所以當A的自旋狀態被測量為正的時候,B的自旋狀態「變成」負的。換句話說,自旋狀態的信息瞬間在兩個亞粒子之間傳遞,這種量子信息的傳遞顯然比光速要快。愛因斯坦將量子糾纏描述為「幽靈般的遠距離行為」,我認為我們所有人都可以理解這種相當怪異的效應。

所以,至少有一種東西比光速還快:量子信息。這並不能證明或否定上帝,但它可以幫助我們從物理的角度來思考上帝——也許是一簇糾纏的粒子,來回傳輸量子信息。它們可以同時出現在許多地方?甚至在多元宇宙同時存在?

我腦海中浮現出這樣一幅畫面:上帝讓星系旋轉,同時也讓行星自轉——把信息包從一個宇宙拋到另一個宇宙,以保持萬物和諧。幸運的是,上帝可以同時處理多項任務——保持空間和時間結構的運動,所需要的只是一點信念。

這篇文章已經基本回答所提出的問題了嗎?我不這麼認為:如果你信上帝(就像我一樣),那麼上帝受物理定律約束的觀點就是無稽之談,因為上帝無所不能,甚至比光速還快。如果你不信上帝,那麼這個問題同樣是荒謬的,因為根本就沒有上帝,沒有任何東西能比光傳播得更快。也許這個問題真的是不可知論者的問題,他們不知道是否有上帝存在。

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上帝會在旋轉銀河系的同時又讓行星自傳嗎?

這確實是科學和宗教的不同之處。科學需要證明,宗教需要信心。科學家們不會試圖證明或反駁上帝的存在,因為他們知道沒有一個實驗可以探測上帝。如果你相信上帝,那麼科學家對宇宙的研究成果就無關緊要了——因為宇宙萬物都被認為與上帝一致。

我們對上帝、物理或其他任何事物的看法最終都取決於視角。但讓我們以一段真正權威來源的引文作為結束。不,它不是聖經,也不是宇宙學教科書,而是來自特裏·普拉切特(Terry Pratchett)的《死神》(Reaper Man):

「光認為它的速度比任何東西都快,但它錯了。無論光速有多快,黑暗總是先它一步到達,等待著光的到來。」

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注:此文摘自《對話》(The Conversation)莫妮卡·格雷迪是英國開放大學行星和空間科學教授