物理如何证明上帝的存在？

来源：利维坦

文：Monica Grady

译：苦山

校对：兔子的凌波微步

原文：www.bbc.com/future/article/20210301-how-physics-could-prove-god-exists

“我曾在一次研讨会上听到下面这个问题——当时我还相信上帝（现在我是无神论者）——这个问题最初是由爱因斯坦提出的，它的优雅和深刻令我震惊：“如果存在这样一位上帝，他创造了整个宇宙及其所有的物理法则，那么上帝是否遵循上帝自己的法则？还是说，上帝可以取代他自己的法则，比如超越光速，从而能够同时存在于两个不同的地方？”这个问题的答案能否帮助我们证明上帝是否存在，还是说，这是科学经验主义和宗教信仰交叉之处，因而没有真正的答案？”

——大卫·弗罗斯特（David Frost），67岁，洛杉矶。

当我收到这个问题的时候，我正因疫情封锁措施待在家中，因此立刻被它激起了兴趣。这也难怪，毕竟时机恰好——诸如大流行病之类的悲剧事件经常让我们质疑上帝的存在：如果真有一位仁慈的上帝，为什么会发生这样的灾难？上帝可能被物理定律“束缚”的这种想法——物理定律也支配着化学和生物学，因此也决定了医学的边界——是一个值得探索的有趣观点。

如果上帝不能打破物理定律，祂可能就不会像你想象的那样，有如绝对存在一样强大。但是如果祂做得到的话，为什么我们还没有看到任何证据表明，宇宙中曾有物理定律被打破过呢？

为了解决这个问题，让我们把它分解一下。首先，上帝能比光速更快吗？我们只从问题的表面含义来回答。光的传播速度大约为每秒3×105公里，即每秒186,000英里（299,500公里/秒）。我们在学校里学过，没有什么能比光速更快——即使是《星际迷航》（Star Trek）中的联邦星舰企业号（USS Enterprise），当它的二锂矿结晶引擎（dilithium）被调到最大值时也不行。

但这是真的吗？

数年前，一群物理学家构想了一种被称为快子（tachyon）的粒子，它以超光速运动。幸运的是，人们认为这种粒子不太可能真实存在。如果它们确实存在，那么它们将拥有一个虚质量（译者注：imaginary mass，即静止质量必须为虚数），空间和时间的结构将被扭曲——这会导致因果关系的违背（并且很可能会让上帝头疼）。

到目前为止，似乎还没有发现任何物体的速度能够超过光速。这本身并不能说明任何与上帝有关的事。它只是进一步证实了“光的传播速度确实很快”这一知识。

如果上帝存在，一个问题就在于，祂是否会受到物理学等科学定律的约束。© Alamy

当你开始考虑光从万物伊始至今传播了多远时，事情就变得有趣些了。假设宇宙符合传统的大爆炸模型，并假设光速为3x105公里/秒，那么我们就可以计算出，在宇宙存在的138亿年中，光传播了大约1.3x1023公里。或者更确切地说，在宇宙之存在的可观测的部分里，光传播了那么远。

宇宙以大约每兆秒差距70公里/秒的速度膨胀（1 Mpc/Megaparsec=1兆秒差距，大约为3000万公里），因此目前的估计表明，到宇宙边缘的距离是460亿光年。随着时间的推移，宇宙的体积不断增加，光必须传播更长的时间才能到达我们这里。

宇宙比我们能看到的要大得多，但是我们目前能看到的最遥远的天体是由哈勃太空望远镜观测到的GN-z11星系。它大约位于1.2x1023公里或134亿光年之外，这意味着从该星系发出的光到达地球用了134亿年。但是在光线“出发”时，这个星系距离我们的银河系只有大约30亿光年。

GN-z11是一个在大熊座发现的高红移星系，为目前可观测宇宙中最古老、最遥远的已知星系。© wikipedia

我们无法观测或看清自大爆炸以来扩张建立的整个宇宙，因为要让光从世界伊始的几分之一秒到达我们这里，流逝过的时间还不足够。一些人认为，我们因此无法确定物理定律是否可以在其他宇宙区域被打破——也许它们只是局部的、偶然的定律。这就把我们引向了一个比宇宙还要大的东西。

多元宇宙

许多宇宙学家认为，宇宙（Universe）可能是一个更广阔的宇宙系（cosmos）、一个多元宇宙（multiverse）的一部分，在那里有许多不同的宇宙共存，但不相互作用。多元宇宙的观点是基于宇宙暴胀理论（the theory of inflation）的——暴胀理论认为宇宙在大爆炸后的10-32秒之前曾急速暴胀。暴胀理论是一个重要的理论，因为它可以解释为什么宇宙具有我们所看到的形状和结构。

但是，假如膨胀能够发生一次，为什么不能发生很多次呢？我们从实验中知道，量子涨落可以产生成对的粒子，它们突然出现，但片刻后就消失。如果这种涨落能够产生粒子，为什么不能产生整个原子或宇宙呢？有人认为，在混沌暴胀期间，一切并非都以同样的速率发生——暴胀期间的量子涨落可能产生了气泡，而这些气泡各自爆炸形成了宇宙。

但是在多元宇宙中，上帝的位置在哪里呢？令宇宙学家头疼的一个事实是，我们的宇宙似乎已经微调到了适合生命存在的状态。宇宙大爆炸产生的基本粒子具有能够形成氢和氘的合适性质——而这些物质构成了第一批恒星。

量子物理学能否帮助解释“上帝能够同时存在于两个地方”这件事？© 美国国家航空航天局

在这些恒星中，控制核反应的物理定律随即生成了构成生命的物质——碳、氮和氧。为什么宇宙中所有的物理定律和参数具有的数值都恰好能令恒星、行星，以及——最终——生命形成？

有人认为这只是一个幸运的巧合。其他人说，我们不应为“生物友好”的物理定律感到惊讶——毕竟是它们产生了我们，那么我们还能看到什么呢？然而，一些有神论者认为，这表明存在一位为生物创造了有利条件的上帝。

但上帝并不是一个合理的科学解释。相反，多元宇宙理论解决了这个谜团，因为它允许不同的宇宙有不同的物理定律。所以，我们碰巧在少数几个能够支持生命存在的宇宙中发现了我们自己，这并不奇怪。当然，你无法反驳多元宇宙可能是由上帝创造的观点。

如果两个粒子纠缠在一起，当你操纵其中一个粒子时，你也在自动操纵它的关联粒子。

这一切都是高度假设的，而对多元宇宙理论最大的批评之一在于，因为我们的宇宙似乎和其他宇宙之间没有相互作用，所以多元宇宙的概念不能得到直接的检验。

量子怪诞性（Quantum weirdness）

现在，让我们考虑一下上帝是否可以同时出现在多个地方。我们在空间科学中使用的大部分科学技术都是基于反直觉的原子和粒子的微观世界理论，这一理论被称为量子力学。

这一理论支持一种叫做量子纠缠的现象：鬼魅般地相连的粒子。如果两个粒子处于纠缠状态，当你操纵其中一个粒子时，你也在自动操纵它的关联粒子，即使它们相距很远，也没有在相互作用。对于量子纠缠的描述，有其他版本比我在这里给出的更好——但是这一版表述很简单，足以让我理解。

想象一个粒子衰变成两个亚粒子A和B。亚粒子的性质叠加后必须与原粒子的性质等同——这就是守恒定律。例如，所有的粒子都有一个叫做“自旋”的量子性质——大致而言，它们就像是小小的罗盘磁针一样运动。如果原始粒子的“自旋”为零，那么两个亚粒子中的一个必须自旋为正，另一个必须自旋为负，这意味着A和B中的每一个都有50%的机会具有正自旋或负自旋。（根据量子力学的理论和定义，在你真正测定粒子之前，粒子处于不同状态的混合态。）

即使A和B位于不同行星上的不同实验室中，它们的性质也不是彼此独立的——它们是纠缠在一起的。假如你测量A的自旋，发现它是正的，那么想象一下，一个朋友恰好在你测量A时测量了B的自旋。为了使守恒定律成立，她必然会发现B的自旋是负的。

但是——这就是事情变得模糊的地方——和亚粒子A一样，B有一半的概率是正自旋，所以当A的自旋态被测定为正时，它的自旋态“变成了”负的。换句话说，关于自旋态的信息在两个亚粒子之间瞬间传递。这种量子信息的传递速度明显快于光速。鉴于爱因斯坦本人都将量子纠缠描述为“鬼魅般的超距作用”，我认为就算我们所有人都觉得这是一种相当奇异的效应，也是有情可原的。

因此，毕竟还是有一种东西比光速更快：量子信息。这并不能证明或反驳上帝的存在，但是它可以帮助我们从物理的角度来认识上帝——上帝也许是一团纠缠的粒子，来回传递量子信息，并因此同时存在于许多地方？甚至同时存在于多个宇宙？

科学需要证据，宗教信仰需要信念

我脑海中有这样一幅画面：上帝转着星系大小的盘子，同时抛接着行星大小的球——将信息从一个晃晃悠悠的宇宙扔到另一个中，以保持一切运转。幸运的是，上帝可以同时操作多项任务——保持时间和空间的结构不停运作。你所需要的只是一点点信念（faith）。

这篇文章是否已经接近于回答开篇提出的问题？我想没有：如果你像我一样相信上帝，那么上帝被物理定律束缚的想法就是胡说八道，因为上帝可以做任何事情，甚至比光行得更快。如果你不相信上帝，那么这个问题同样是荒谬的，因为不存在上帝，也不存在什么事物能比光速更快。也许这个问题实际上该交给不可知论者回答，他们不清楚上帝是否存在。