时空是量子信息的存储器

最近偶然读到一篇刊载于The Conversation上面的科技新闻,题目是“Information could be a fundamental part of the universe – and may explain dark energy and dark matter”,即《信息可能是宇宙的基本组成部分——并可能解释暗能量和暗物质》,这篇文章是荷兰莱顿大学助理教授Florian Neukart撰写的,他也是所谓的“量子记忆矩阵”(quantum memory matrix, 或QMM)理论的主要提出者。作者提出QMM模型的动机是为了解决黑洞信息悖论,但作者大胆推测,这个理论不仅可以解决黑洞信息丢失问题,而且可以统一量子力学和引力理论,并有望解决暗能量和暗物质的问题。看到这样一个“万能”模型,我总会怀疑它是否是另一个弦论的翻版。然而,作者们不仅仅提出了理论,而且给出了在观测上可能的验证,比如引力波、暗物质和宇宙微波背景的观测证据等。

其实QMM模型和我2018年发表的一篇题为《基于圣经的对暗能量的理解》的设想不谋而合。当时我设想,如果上帝要保存这个宇宙演化的信息,就像用移动硬盘存储电影一样,那么暗能量很可能是存储宇宙信息的媒介。由于暗能量驱动了时空的膨胀,所以我们也可以说时空就是存储宇宙信息的媒介,这个就是QMM理论的基本思想。虽然我当时提出这个想法纯粹是想从圣经的角度来理解这个宇宙中最神秘的存在——暗能量,但是这样的想法居然得到了当代理论物理学家最新理论的支持。这样一个理论的神学根基在于上帝如果要审判这个世界并且恢复或者更新原初的被造世界,那么祂就需要保存宇宙的信息,而普朗克尺度的格点化时空刚好可以作为这样的媒介。

当然,你可以说上帝为什么需要物质宇宙来存储信息呢?难道祂不是全能的吗?祂不是拥有绝对完美的记忆吗?我的回答是,虽然上帝是全能的,但是祂通常借助媒介来达成祂自己的目的。而且,正统神学认为上帝是不变的,因而祂的知识也应该是不变的,宇宙中没有任何事情可以让上帝惊讶。所以,上帝之所以存储信息在时空中,其实更多是为了将来创造新天新地,因为信息可以克服热力学第二定律,信息可以使得时空反演,这也是QMM理论解释黑洞信息悖论的思路,即量子态被存储在时空记忆单元,在霍金辐射阶段又转化为辐射信息。如此看来,耶稣让拉撒路复活是不是可以理解为祂利用了时空中存储的一部分信息反演了拉撒路的量子态呢?

在QMM理论中,信息写入时空是通过局域相互作用把场的态纠缠到记忆元,信息擦除可以视为是记忆元转移/扩散到别的自由度,比如辐射、引力波、环境等。QMM还认为信息的“有效压力/应力”或时空微结构的“信息响应”可能表现为额外引力效应,在观测上类似暗物质所产生的效应。因此,QMM理论似乎正在将宇宙作为量子计算机的这样一种设想变成现实。如果是这样,那么我们理应询问宇宙为什么是一个信息处理器?是谁创造了这样一个量子计算机?我想基督教神学已经对这个问题有了非常明确的答案。

因此,我们千万不要以为圣经只是一本古老的关于伦理和信仰的书,它是一本关于整个宇宙真相的书,它反映了上帝创造的智慧。这本书理应成为我们人生的指南和认识宇宙的路标,而信息这样一个基本概念一直不断地出现在圣经中,从创世记第一章神用祂的话语创造宇宙开始,到新约中约翰说耶稣就是上帝起初创造宇宙的话语,我们无处不看到上帝话语带来的创造和救赎的能力。所以,研究宇宙一定会让我们更深认识上帝的创造和祂的本性,并加深对将来的新宇宙真实的盼望。

至尊戒引众戒,禁锢众戒黑暗中

当我被第一代恒星耀眼的光芒环绕的时候,突然看到一颗巨大的恒星爆炸,它所产生的巨大冲击波吹散了我周围所有的物质,并产生了超高能量的伽马射线和X射线,这是我第一次在宇宙中看到如此壮观的场面,也是在宇宙诞生以来第一次遇见如此高能的光子。这颗恒星爆炸后剩下了一个很小很小的黑暗区域,谁也不知道里面是什么。我仔细查看这个黑洞,发现在其周围有一个光圈,另外一些闯入黑洞内部的光子则被囚禁乃至被黑洞吞噬。此情此景让我惊叹不已。在我眼里如此耀眼的一颗巨星居然陨落为至极的黑暗,从光明的给予者沦为黑暗的掠夺者。然而,并非所有恒星都有此结局,下面就让我来讲讲不同恒星的结局吧。

宇宙第一代恒星的光辉是短暂的,因为它们核心区域的温度和密度极高,使得核聚变快速消耗掉大量的轻元素,最终核聚变所产生的辐射压无法抵抗恒星的引力压,导致恒星开始塌缩。塌缩过程中引力能转化为热能,强大的热压使得恒星膨胀为红巨星。对于一个太阳大小或者更小的恒星,它们的内核将消耗轻元素产生重元素,而当碳和氧在核心区大量产生的时候,核心区的温度不足以将这些稳定的元素聚变为其他更重的元素,于是核心区不能在引力作用下进一步塌缩。这样,这些恒星的外壳被剥离后剩下的内核所形成的天体就是所谓的“白矮星”,大概只有恒星原始质量的20%左右。这些白矮星不是通过核聚变所产生的辐射压乃是通过电子简并压抗衡引力,它们由于没有核聚变产生的辐射将慢慢变暗,直到不能被肉眼看见。电子简并压是基于量子力学的不确定性原理,即粒子的位置和动量不能同时被精确测量而产生的一种抗衡引力的斥力。当白矮星在引力作用下被挤压的时候,电子位置越来越确定,这样电子动量将越来越不确定,其对应的“海森堡”速度将贡献压力来抗衡引力,阻止白矮星的进一步塌缩。

银河系中心的X射线和红外图像以及由视界望远镜(EHT)用射电望远镜阵列拍摄的黑洞视界图像(右上)

更大质量的恒星的引力塌缩将导致更重元素的形成。当恒星核心区聚变形成了大量铁的时候,由于铁是最稳定的元素,无法聚变成为其他元素,铁核的温度将达到几千亿度。此时巨大的压力和温度将使得电子被挤压与质子结合为中子,这个过程所释放的巨大能量形成的冲击波将恒星外围物质迅速推开,形成了所谓的“超新星”爆发。冲击波对恒星外围物质的加速和加热到极高的温度,可以聚变产生大量的重元素和放射性元素,成为行星形成乃至生命繁衍的原料。对于中等质量的恒星,核心区的基于海森堡不确定性原理的中子简并压可以与引力抗衡,而形成中子星。而对于更大质量的恒星,中子简并压也不足与引力抗衡,进而塌缩为一个奇点。由于量子力学和广义相对论在此不再适用,谁也不知道奇点处发生了什么。但是人们可以确定的一点是奇点极高的引力场导致了其附近的光子也不能逃脱,这个光子不能逃逸的区域称为“视界”,这个视界以内的区域是完全黑暗的,没有任何光子可以逃逸,所以我们称这种天体为“黑洞”。

黑洞视界周围的光子圈

如果你仔细观察,你会发现黑洞视界周围有一圈发亮的光环,这些光环是在黑洞视界外围逃逸出来的来自黑洞吸积盘的光子所构成,正像一枚金色的燃烧着火焰的戒指。在星系中心的黑洞慢慢吸积更多的物质,成为大质量黑洞,它的视界直径可以达到几个光年。当星系与星系并合的时候,这些星系中心的黑洞也会并合,成为更大质量的超级黑洞。然而,黑洞并不会永存,因为根据量子力学能量和时间的不确定性原理,能量在短时间内并不守恒,会产生由正粒子和反粒子组成的虚粒子对。在黑洞视界周围的量子涨落产生的虚粒子对,如果有一个被黑洞俘获,另一个逃逸到黑洞之外,那个逃逸的粒子由于可被观测到而成为了实粒子拥有了正能量,那个被黑洞俘获的虚粒子因此有了负能量,使得黑洞能量减少。所以,最终不可一世的超级黑洞也会因为霍金辐射而蒸发消失。

《指环王》第一部封面

任何恒星都会经历死亡,然而有的恒星却堕入到彻底的黑暗。如同至尊魔戒的超级黑洞通过吞噬恒星来壮大自己,乃至统管周围小星系的中心黑洞,形成宇宙中巨大的黑暗力量。然而,这一切都将被霍金辐射所终结。正如宇宙诞生130多亿年后的一位人类作家所言:

“最后可怕的阴影,终究会消失。就连黑暗也会消失。崭新的一天将会来临。太阳也会散发更明亮的光芒。”——《指环王》

大数据揭示宇宙的信息本质

上周三,欧空局的Gaia卫星的第二批数据发布了,这给天文学带来了一个黄金时代,而接下来科学家要做的是如何解释这些数据。Gaia卫星在其5年的观测时间内将测量大概10亿颗银河系恒星及其邻近星系的恒星的位置及速度以及它们的距离。它每天都在观测百万颗恒星,提供大量的科学数据。Gaia数据很有可能从本质上改变了我们对银河系乃至太阳系的认识,我想主要有以下几个方面的突破。

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Gaia卫星所观测的14亿颗恒星

首先,Gaia让我们对银河系近百万年的历史可以进行一个比较精确的重构。因为我们知道恒星的位置和距离以及速度,所以我们可以比较精确的指导它们在几百万年之前和之后的状态。这使得我们对银河系的认识不再局限于静态或者稳恒态,而是可以从观测的角度来重构其历史,并且预见其未来。

然后,我们更深地明白系外行星的宿主恒星的特征,进而明白为什么我们的太阳是一个黄色恒星,而不是红色或者橙色或者蓝色。我们还可以明白我们为什么离银河系中心是在大概2万多光年的地方,而不是更近或者更远。或者说知道银河系的宜居带。

最后,Gaia会让我们对整个宇宙有全新的认识。比如引力波可以微小地扰动恒星位置,虽然这种个别恒星的扰动难以探测,但是很多恒星的位置扰动的累积效果将是非常明显的。这样我们可以通过Gaia数据对宇宙早期产生的引力波有比较清晰的认识。同样,Gaia还可以探测银河系对恒星的累积加速度,进而可以对银河系的引力势进行重构。

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千年宇宙学模拟所展现的宇宙大尺度结构(与神经系统何其相似)

虽然Gaia数据有如此多的用处,但我要说的是,像Gaia这样的科学卫星所提供的大量数据正在揭示宇宙的信息本质。根据我在这个博客中所阐述的理论,上帝将宇宙造成一个像人类神经系统一样的网络,这种从星系团,星系到恒星的层级系统和人类的中枢神经,到周围神经到神经元的网络结构是异曲同工。整个宇宙和人类神经系统一样都是高度分形系统,是自相似系统,这样的一个系统的目的乃是为了处理并传递信息并对整个系统进行控制。比如,银河系就可以被模拟为这样一个神经系统。其中枢神经就是银河系中心的超大质量黑洞,而此中枢通过引力波或者通过周期性扰动银河系中心的核区星团所产生的密度波来控制整个银河系的演化。如果Gaia的数据被彻底分析,我们也许可以发现该密度波随时间的演化。无论密度波还是引力波都可以承载信息,就像电磁波和声波一样。而该信息来自于星系中心黑洞以及该黑洞与其他星系中心黑洞通过虫洞所以联结的黑洞网络,所以上帝通过黑洞对宇宙所输入的信息是超越时空的,是为了对整个宇宙进行掌控,而黑洞就是那个上帝话语的输入窗口,因为唯有黑洞是从物质宇宙通往高维时空的通道。

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人类大脑神经网络

当然我们也可以把整个宇宙视为上帝的智能终端,当上帝说话或者输入命令的时候,宇宙作为一个超级计算机就可以实现该命令。或者我们可以认为量子世界承载的就是虚拟信息,而黑洞作为这个信息宇宙的CPU在不断处理上帝的话语并执行该话语。这话语并不一定是和人类直接相关的,而可能是上帝无时无刻护理这个宇宙的信息。如果上帝不再输入祂的信息,整个宇宙可能就荡然无存,就像电脑游戏在计算机关机之后不再运行一样。正如希伯来书作者所言,“他 是 神 荣 耀 所 发 的 光 辉 , 是 神 本 体 的 真 像 , 常 用 他 权 能 的 命 令 托 住 万 有 。”(来1:3)

所以无论是现在正在提供大量数据的Gaia,还是将来的TESS,LSST,SKA,JWST, WFIRST,都在帮助人类认识这个宇宙的信息本质。这个宇宙不是终极现实,就像施洗约翰所作的见证一样,“我不是基督”,我是“ 为要叫他显明给以色列人”(约翰福音一章),同样,整个物质宇宙也在说,我不是上帝,我只是仆人,是为我的造物主作见证的。然而,如今的世代把宇宙当成终极,而把上帝当成虚幻,这岂不是本末倒置,也正印证了圣经的话,“因为 ,他 们 虽 然 知 道 神 , 却 不 当 作 神 荣 耀 他 , 也 不 感 谢 他 。 他 们 的 思 念 变 为  妄 , 无 知 的 心 就 昏 暗 了 。”(罗1:21)然而这个大数据时代不能改变我们的本性,只有圣灵通过另一个信息的入口可以改变我们,那个入口就是人的灵魂。圣灵可以赐给我们得救的信心,相信耶稣基督的救赎而得以被拯救,否则,整个宇宙都会与我们这些罪人为敌,如经上所言,“连 地 也 玷 污 了 , 所 以 我 追 讨 那 地 的 罪 孽 , 那 地 也 吐 出 他 的 居 民 。”(利未记18:25)我要在这个高举科学主义的世代大声疾呼,“以色列家啊,你们转回,转回罢!离开恶道,何必死亡呢?”(以西结书33:11)

 

发现引力波的神学意义

最近引力波的发现是大家谈论的热门话题,就连一向不怎么关注科学进展的我的妻子也跟我谈论起来相关话题。但是当她问我引力波的发现有什么神学意义的时候,我觉得有点莫名其妙。引力波和神学怎么扯上关系了呢?不过她问这个问题也在情理之中,因为我经常试图把信仰和科学拉上关系。现在细想起来,觉得引力波和信仰还是有很大关系的。

 

首先,我要谈谈引力波的发现到底有什么科学意义。引力波就像电磁波一样是引力场的一种震荡,其源头要么是大质量天体的加速运动或者碰撞,要么是宇宙大爆炸后的余波,要么是一些宇宙缺陷诸如宇宙弦的碰撞引起的。这次发现的引力波是由两个黑洞的并合产生的。这就好比一个水塘,当没有任何扰动的时候,水面是平静的。但是当有一个石头丢进去的时候,水面就产生波浪,石头越大,波浪越明显,传播得越远,也越容易察觉。同样的道理,引力波就是引力源扰动时空所产生的涟漪。引力波的发现印证了爱因斯坦的广义相对论,更重要的是它打开了一扇了解宇宙起源的窗户。现代天文学或者宇宙学的研究是基于观测天体的电磁波获得有用信息。而引力波的发现意味着我们可以通过探测引力波直接研究天体的引力特性。相比于电磁波,探测引力波对研究黑洞和宇宙起源有无可比拟的优势。因为吸积盘以及周围的恒星的阻挡,我们很难对黑洞进行高精度的电磁波探测。但是透过引力波,我们可以避开电磁波的干扰,而直接研究黑洞的动力学。这就好比有一块大石头掉在水里,周围的水草无法阻挡波浪的扩散。引力波对于宇宙学的研究更是意义非凡。当今我们对早期宇宙的了解主要是透过对宇宙微波背景辐射的研究获得的。而引力波将让我们看到宇宙引力背景,这将让我们看到宇宙在普朗克尺度上的图像,进而检验各种暴涨理论,对宇宙大爆炸理论乃至其他的宇宙模型作出最严格的限制和判决。

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LIGO

那么引力波的发现有什么神学意义呢?它的神学意义是透过它所带来的科学发现实现的。如果引力波宇宙学可以确认宇宙的确有一个起点,并且排除其他永恒宇宙模型,这对上帝从无到有的创造是一个极好的印证。如果黑洞的信息缺失问题可以透过引力波的探测得以解决,这对了解上帝如何透过话语创造宇宙有极其重要的意义。因为黑洞往往是星系中恒星形成的助推器和加速器,对黑洞的产生及其本质的认识将改变我们对星系以及恒星形成的认识。而在我看来,上帝在创世记中所说的透过话语创造星体本质上就是透过某些机制(比如黑洞)在宇宙中输入信息来创造天体。而科学家的任务,从这个角度看,本质上就是寻找那原初的上帝所输入的信息。这种信息存在于宇宙诞生的时刻,存在于星系诞生的时刻,存在于地球诞生的时刻,存在于生命诞生的时刻,存在于人类诞生的时刻。而这种信息的发现将让我们更深领悟上帝创造的次序和救赎的次序,发现圣经所言不虚。更重要的是,这些信息的发现让我们更对上帝的永能和神性无可推诿,预示着上帝终极审判的来临。

引力波的发现正在上帝的旨意之中,因为历史中任何事件的发生都不是偶然的,是上帝为着实现祂永恒的定旨而预定其发生的。上帝希望我们了解祂的创造,正如祂希望我们透过圣经认识祂自己一样。上帝让引力波得以发现正是让我们透过这一扇窗户洞悉祂创世的奥秘,进而对祂产生由衷的敬拜。愿祂的名得荣耀!

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