TITLE: 第八章 The Grand Design, 大設計 AUTHOR: QUENCY DATE: 07/27/2015 09:36:33 PM CATEGORY: 大設計 STATUS: publish ---- BODY:
第八章 The Grand Design, 大設計
本書已經提過，天體物體如日月星辰的運動有規律性，表示是受到固定法則支配，而不是由神鬼的喜怒哀樂操縱。起先，這類法則的存在只有在天文學（或昔日相差無幾的星相學）中出現，因為地面上的世事複雜難料並影響深遠，所以古代很難察覺各種現象背後是否有清楚的模式或支配的法則。然而，隨著別的領域也發現新的法則，最終出現科學決定論的想法，指稱必定有一套完整的法則存在，只要給定某個時刻宇宙的狀態，便可以推算出宇宙日後的發展演進。這些法則應該無論何時何地都能成立，否則便不算是法則。另外，也不會有例外或奇蹟，無論是上帝或惡魔都無法介入宇宙的運行。
在科學決定論首度提出後，牛頓的運動定律和重力法則是人類唯一知道的法則。前面提過這些法則由愛因斯坦藉廣義相對論推廣所延伸，另外人們也發現宇宙其他方面的支配法則。
但是，自然法則告訴我們宇宙如何行為表現，卻沒有回答本書一開始提出的為什麼問題：
為什麼世上有東西而非空無一物？
我們為什麼存在？
為什麼宰制宇宙的是這套特定的法則而非其他法則？
有些人會宣稱，這些問題的答案是因為上帝選擇創造這樣的宇宙。問道「誰」或何物創造了宇宙很合理，但如果答案是上帝，那麼只是將問題轉向是誰創造了上帝而已。不過在這派觀點中，也同時提出某實體存在（即上帝本身）不需要創造者的說法，這種支持上帝存在的論證法，即稱為第一因論證。不過，本書主張有可能完全在科學範疇中回答這些問題，不需要訴諸神的存在。
根據第三章談到模型真實論，大腦會製造外在世界的模型，然後根據模型詮釋感官輸入。我們會形成屋、樹、人等心智概念，可也形成有關電的心智概念，不論電是流通於插座、原子、分子和其他宇宙等等。這些心智概念成為我們唯一知道的真實，如果沒有模型便無法檢驗真實，一定是先建構模型，才會創造出真實。有一個例子可幫助大家思考真實與創造的問題，那便是1970年由劍橋大學一名年輕的數學家康威（John Conway）所發明的「生命遊戲」。
生命遊戲中的「遊戲」一詞會產生誤導，事實上其中沒有玩家也無輸贏。生命遊戲不是一種真的遊戲，而是支配二維宇宙的一套法則。這是決定論的宇宙：一旦設定開始的圖案（或初始條件），法則會決定未來的發展。
康威構想出一個像西洋棋盤的方格陣列世界，但是每個方向都可無限延伸。每個方格（細胞）有兩種可能狀態：存活（以綠色表示），或死亡（以黑色表示）。每個方格有八個郼居：上下左右與四個對角。在這個世界中時間並非連續，而是一步步往前。在設妥生存與死亡方格後，每個方格接下來存活與否與鄰居的狀態有關，根據以下法則決定：
一、一個活的方格若有二或三個活的鄰居，則會繼續存活（活著）。
二、一個死的方格若有二或三個活的鄰居，則會變成一個活的方格（誔生）。
三、在其他情況中方格會死亡或繼續維持死亡的狀態。若一個原本活的方格沒有活的鄰居或只有一個活的鄰居，則會因寂寞而死；若鄰居超過三個，則會因過度擁擠而死。
這是全部的規則，只要給定任何起始狀態，這些法則會產生一代又一代的圖案。一個孤立的活方格或兩個相鄰的活方格會在下一代死亡，因為沒有足夠的鄰居。三個對角的活方格會存活久一點，在第一步後兩端的方格會死亡，只剩中間的方格存活，而這個方格又在下一代死亡，任何排成對角線的方格會以這種方式「蒸發」。但如果三個活著的方格是為一橫排，中間有兩個鄰居的方格會在兩端方格死亡時繼續存活，且上下方格會出生，使得原來的橫排變成直排。以此類推，下一代的直排又會變成橫排，這種變動的圖形成為「閃爍者」。
如果三個活的方格排成Ｌ形，會出現新的行為。在下一代，被Ｌ形圍起來的方格會出生，產生2Ｘ2的方塊。這種方格稱為「恆存者」的模式，因為會代代相傳不改變。許多種模式在剛開始幾代都會發生變形，但很快變成恆存的狀態，或死亡，或周而復始重來一次。
也有稱為「滑翔者」的模式，先變成其他形狀，經過幾代後又回復原先的形式，但是位置會沿著對角線往下一格。若觀察滑翔者的演變，可發現圖形似乎沿著陣列爬行。當滑翔者相撞時，會發生有趣的形為，視每個滑翔者在相撞那一刻的形狀而定。
這個宇宙有趣的地方在於，雖然基本的「物理」很簡單，但是「化學」可以非常複雜，因為複合體存在不同的尺度。在最小的尺度上，基本物理只說有活的和死的方格。在較大的尺度上，則出現滑翔者、閃爍者、恆存者方塊。在更大的尺度上，會出現像滑翔者槍等更複雜的物體：一種不增不減的模式，會周而複始生出新的滑翔者，而滑翔者會離開母體沿著對角線向下移動。
如果觀察宇宙尺度的生命遊戲一段時間，可以推演出該尺度上支配物體的法則。例如，在物體只有幾個方格大小的尺度上，可能會推出「方塊從不移動」、「滑翔者沿著對角線移動」，以及物體碰撞的變化等各種法則。所以，可以在任何尺度的複合體上創造出整個物理學，這些法則需要有實體與概念，是初始的法則中所沒有的，例如初始的法則中就沒有「碰撞」或「移動」的概念，只有描述單一獨自的方格的生與死。就像在我們的宇宙一樣，在生命遊戲裡所謂「真實」也要看你所採用的模型而定。
康威和學生們創造這個世界，是因為想知道一個宇宙在這麼簡單的基本法則下，能否出現複雜到足以複製或生殖的物體。在生命遊戲的世界中僅憑遵循幾條簡單的法則，經過幾代後存在的複合體能否繁衍自己的後代呢？結果，他們證明不僅這點有可能，甚至這種物體還可說是有智慧呢！正確地說，他們發現可以自我複製的巨大方格組合體可成為「萬用杜林機」（universal Turing machine）。這裡的意思是指，在我們的世界中原則上任何電腦可以執行的計算，若也提供機器適當的輸入（在生命遊戲的世界中相當於提供適當的初始圖案），那麼經過一些世代後，形成的圖案可做為機器輸出資料，可以判讀出等同電腦計算的結果。
為了了解其運作方式，現在以滑翔者射向一個簡單的2Ｘ2活方塊為例。如果滑翔者以正確的方式接近，那麼原本處於靜止的方塊會朝向或遠離滑翔者的來源移動。在這種情況下，方塊可模擬電腦記憶，事實上現在電腦的所有基本功能，像是ＡＮＤ與ＯＲ都可以由滑翔者創造。在這種方式下，一連串滑翔者的功用等同於一部電腦的電子訊號，並可以傳送與處理資料。
在生命遊戲中就如同在我們的世界中一樣，會自我複製的模式都是複合體。根據數學家馮諾曼（John von Neumann）之前的研究，估計在生命遊戲中能夠自我複製的模式其最小尺寸為十兆個方格，大約是人類細胞中的分子數目。
我們可以將生物定義成大小有限的複雜系統，穩定並可自我複製。上面談到的滿足複製條件的物體，可能會不穩定：外來的小擾動恐怕就會摧毀這一脆弱的機制。不過，不難想見稍加複雜的法則便可容許複雜系統具備所有生命的特質。想像一下康威世界中有這類型的實體，它會對環境的刺激有所回應，因此看似可以自我下決策。這種生命會意識到自己的存在嗎？它會有自我意識嗎？對於這個問題的看法，意見兩極。有些人宣稱意識為人類所獨有，讓人具有自由意志，能夠選擇不同的行為反應。
如何判斷生物是否具有自由意志呢？如果遇到一個外星人，要怎麼知道它是機器人或擁有自己的心智呢？機器人的行為已完全被確定，不像有自由意志的生物，所以大致上可以從行為上能否被預測，來判斷其是否為機器人。但是第二章談到，若是物體又大又複雜，就會變得難以判定。像我們甚至無法完全解出三個粒子以上的交互作用方程式呢！因為一個人類大小的外星人含有的粒子便高逹千兆兆個，即使這個外星人是機器人，它也是無法解開的方程式，也無法預測它的所做所為。所以我們必須假定任何複雜物體都會具有自由意志，這可不是一種基本特質，而是基於等效理論，承認我們無法做計算來預測其行為所致。
康威的生命遊戲例子顯示，即使是一組非常簡單的法則，也能產生類似智慧生命的複雜特徵。一定有許多組法則具有這種特性，為什麼有一組法則崔屏中選，成為我們宇宙的基本法則（非外觀法則）呢？如同在康威的宇宙中，只要給定任何時間點的狀態，我們宇宙的法則便會決定系統的演進。在康威的世界我們是創造者，在遊戲開始時決定物體與其位置，選擇了那個宇宙的初始狀態。
在實際的宇宙中，像人的物體，類似生命遊戲中的滑翔者，都是獨立的物質物體。任何一套法則要來描述我們這樣一個連續的世界，一定要有能量的概念，而能量是一個守恆量，是不會隨時間改變的。空的空間的能量會是一個常數，與時間和位置無關。對於任意物體，我們可以得出常數真空能量，由測得任一空間的體積的能量減掉相對於相同體積的空的空間的能量，或者乾脆把這個常數設為零。任何自然法則必須滿足的要求，是令一個由空的空間包圍的獨立物體具有正能量，代表必須做功才能創造這物體。這是因為如果獨立物體具有負能量，則物體的負能量可以被運動造成的正能量完全抵消。如此一來，物體會隨時隨地憑空出現，只要它在運動即可，這會造成空的空間的不穩定。但是如果需要能量才能創造獨立的物體，就不會發生這類的不穩定，因為前面說過宇宙的能量必須維持恆定，才能讓宇宙局部保持穩定，也才不會隨時隨地無中生有。
如果宇宙能量隨時得保持為零，而創造物體又要耗費能量，那麼整個宇宙如何無中生有呢？這就是為何要有重力法則的原因了。因為重力是吸引力，所以是負能量，必須做功才能將受重力作用的系統（如地球和月球）分開。這種負能量可以平衡創造物質所需的正能量，但事情並非那麼簡單。例如，相較於組成地球的物質粒子所擁有的正能量，地球的負重力能還不到其十億分之一。像恆星的物體將會有更大的負重力能，若愈小（愈緊密）則負重力能會愈大。但是負重力能要大到超過物質正能量前，恆星會先崩塌成為黑洞，而黑洞具有正能量，這就是即便在重力作用下空的空間仍是穩定的緣故。像恆星或黑洞的物體無法無中生有。不過，一整個宇宙卻可以無中生有。
因為重力會扭曲空間與時間，讓時空局部穩定但整體不穩定。在整個宇宙的尺度上，物質的正能量會與重力的負能量平衡，因此整個宇宙的創生並沒有限制。因為有重力法則的存在，宇宙能夠像第六章談到的方式自己從無創造而生。自發創造正是為何宇宙存在、為何我們存在，以及為何萬事萬物存在而非空無一物的理由，完全不需要祈求上帝指引，啟動一切讓宇宙運轉。
為什麼基本法則是我們描述的這樣？終極理論必須貫通一致，並且必須對於我們能夠測量的量值預測有限的結果。前面看到一定要有重力的法則，在第五章也看到若要讓重力理論預測有限的量值，必須讓自然作用力和受力物質間具有超對稱性。Ｍ理論是具有超對稱性的重力理論最廣泛理論。基於這些理由，Ｍ理論是完整宇宙理論的唯一候選理論。如果Ｍ理論是有限的（這點尚待證明），它將會成為自發創造宇宙模式，而我們必定是包含在這個自發宇宙中的一部分，因為沒有其他一致的模型存在。
Ｍ理論是愛因斯坦期昐發現的統一理論。我們人類本身是自然基本粒子的集合，如今快要完全了解支配我們與宇宙的法則，這真是一大成就。但是也許真正的奇蹟是，抽象的邏輯推理能夠產生一個獨特的理論，預測並描述這個充滿各種驚奇的廣大宇宙。如果Ｍ理論經觀察肯定，將會為3,000年來人類追尋答案的歷程畫下成功的句點，那我們就找到「大設計」了！
＝＝＝
字彙 編輯
多重歷史（Alternative histories）量子理論的一種表述，每一項觀察的機率是由所有可能導致該觀察的歷史構成。
人擇原理（Anthropic principle）我們可以根據自身存在的事實為基礎，對物理外觀法則推導結論的想法。
反物質（Antimatter）每個物質粒子都有一個對應的反粒子，兩者相遇彼此消滅，只留下能量。
外觀法則（Apparent laws）在這個宇宙中觀察到的自然法則，包括四種作用力法則，以及基本粒子的質量和電荷等參數。外觀法則與更基本的法則——Ｍ理論形成對比，Ｍ理論容許不同的宇宙有不同的法則。
漸近自由（Asymptotic freedom）強作用力的一種特性，距離愈近則作用愈弱。因此，雖然夸克受到強作用力而被限制在原子核內，但卻能自由運動，彷彿毫無受到作用力一般。
原子（Atom）一般粒子的基本單位，由原子核（由質和中子構成）與周圍環繞的電子共同組成。
重子（Baryon）由三個夸克組成的一個基本粒子，如質子或中子。
大霹靂（Big bang）宇宙稠密、高溫的開始。大霹靂理論主張大約在137億年前，今天所見的宇宙只有幾公釐（mm）寬而已。現在的宇宙廣袤寒冷，但是能夠從太空中廣布的宇宙背景幅射觀察到早期宇宙的殘留。
黑洞（Black hole）時空中的一個區域，由於受到巨大的重力作用，所以與宇宙其他部份隔絕。
玻色子（Boson）一種傳逹作用力的基本粒子。
由下而上法（Bottom-up approach）宇宙學的一種研究方法，假設宇宙具有一個單一歷史，以一個明確的起點而演變成現今的狀態。
古典物理學（Classical physics）假定宇宙具有一個明確歷史的物理學理論。
宇宙常數（Cosmologfical constant）愛因斯坦在方程式中放進的一個參數，讓時空具有擴張的特性。
電磁力（Electromagnetic force）在自然界四種作用力中第二強的作用力，在帶電粒子間作用。
電子（Electron）一種物質的基本粒子，帶有負電荷，造成元素的化學特性。
費米子（Fermion）一種基本的物質粒子。
星系（Galaxy）由星球、星際物質和暗能量受重力而組成的系統。
重力（Gravity）在自然界四種作用力中最弱的作用力，是具有質量的物體彼此吸引的方式。
海森堡測不準原理（Heisenberg uncertainty principle）此量子理論法則指某些成對的物理特性永遠無法同時精確得知。
介子（Meson）由夸克和反夸克組成的一種基本粒子。
Ｍ理論（M-theory）這項基本的物理學理論是萬物理論的候選理論。
多重宇宙（Multiverse）眾多的宇宙。
微中子（Neutrino）一種極輕的基本粒子，只受弱核力和重力作用。
中子（Neutron）一種電中性的重子，與質子形成原子核。
無邊界條件（No-boundary condition）宇宙歷史是沒有邊界封閉表面的邊界條件。
相位（Phase）在波週期中的位置。
光子（Photon）會傳逹電磁力的一種玻色子；光的量子粒子。
機率振幅（Probability amplitude）量子理論中一個複數值，其絕對值平方可得出機率。
質子（Proton）一種帶正電的重子，與中子形成原子核。
量子理論（Quantum theory）這種理論指物體不具單獨與明確的歷史。
夸克（Quark）一種帶有少許電荷並受強作用力的基本粒子，質子和中子各由三個夸克組成。
重正化（Renomalization）用來解決量子理論中出現無限大問題的數學技巧。
奇異點（Singularity）時空中物理變成無限大的一點。
時空（Space-time）任何一點需要同時限定其空間座標與時間座標的一種數學空間。
弦論（String theory）此物理理論將粒子描述成有長度但沒有高度或寬度的振動模式，彷彿是無限細長的弦。
強核力（Strong nuclear force）在四種自然作用力中最強的一種作用力。強核力結合原子核內部的質子和中子，也可讓質子和中子自身結合，因為它們是由更小的夸克粒子組成。
超重力論（Supergravity）此重力理論具有超對稱的對稱特性。
超對稱（Supersymmetry）一種微妙的對稱，與日常空間中的轉換無關。超對稱的重要涵義之一是件用力粒子和物質粒子，即作用力和物質，其實只是一體兩面而已。
由上而下法（Top-down approach）宇宙學中從現在回推宇宙歷史的方法。
弱核力（Weak nuclear force）四種自然作用力之一。弱作用力與放射有關，在恆星元素與早期宇宙的形成上扮演重要角色。
==
QUENCY於20150829全書檢正完。
----- --------
請先 登入 以發表留言。