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上帝与新物理学

时间:2014-02-24 22:44:08  来源:  作者:保罗·戴维斯  [ 下载本书 ]
简介:上帝是什么、存在吗?宇宙何以存在?世界的本质是什么?,,,,诸如此类的问题在本书中将进行深入细致的讨论。《上帝与新物理学》不是谈宗教的书。《上帝与新物理学》谈的是新物理学——从牛顿经典力学到相对论再到量子力学再到大统一理论——对以前的属于宗教的问题产生的影响。《上帝与新物理学》也不是一纯科学的书。《上帝与新物理学》从哲学的角度发问,是关于科学及其广泛含义的书。...
  于是,那些坚持认为大爆炸与宇宙创生是一回事的科学家们,显然就必得假定,某一超自然的过程以违反一切物理学定律的方式,把没有反物质相伴随的物质注入进宇宙。然而,“在奇点处一切定律都失去了效用”这一类的含糊其辞,并不能减轻人们的疑虑。
  但最近,出现了一条或许能走出这一困境的路径。尽管在实验室条件下,物质和反物质总是成双产生的,但在大爆炸的超高温条件下,很可能可以多出一点点物质。那种试图对自然界的四种基本力给以一个统一的描述的理论研究,使人们产生了上述的想法(在第十一章里,还要对此进行较为详尽的讨论)。根据理论计算,在温度高达1027度时(这一温度只能在宇宙创生的头10-36秒才能达到),每产生10亿个反质子,同时就会产生10亿零1个质子。同理,电子也会比正电子多出10亿分之1。
  虽然只多出这么一小点,但其意义却十分重大。在后续的大厮杀中,10亿成对的质子和反质子彼此湮灭,留下了一个未配对的质子和一个孤立的电子。这些近乎是大自然计划外的添加物的剩余粒子,就变成了后来构成所有星系的物质,所有的恒星和行星,还有我们人类本身,都是由这些物质构成的。根据这一理论,我们的宇宙是由微量剩余的非均衡物质构成的,这些物质是那难以想像的瞬间大爆炸的残留物。
  如同一切好理论一样,物理学家们觉得,这样解释物质的起源有相当的说服力。但到哪里去找硬梆梆的证据呢?
  现在似乎有了两个可验证的计算结果。第一个结果与大爆炸之初的10亿粒子与反粒子大规模互相湮灭有关。10亿粒子和反粒子相互湮灭之后,还会剩下一个多余的粒子,同时,伴随湮灭所释放出的能量也必会留存下来,很可能就是以热的形式留存下来。正如我们在前面的一章里讲到的那样,宇宙确实是浸泡在大爆炸所留下的热辐射里。那么,把每一现存的原子的热能加起来,看看其数目是否与10亿分之1的计算相符合,这是很简单的事。结果发现数字的确相符,至少可以用很说得通的模型来找出一致性。因此,这一理论不但解释了物质的起源,而且也说明了宇宙的确切温度。这确实是项了不起的成就。
  然而,还需要更进一步的证实,才能够有把握地宣布物质的创造不是来自神。假如实验室能够提供某种直接的证据,证明物质与反物质之间确有明显的不对称,那将会最让人信服。我们很可能快要幸运地获得这样的证据了。
  预言物质生产会有微量剩余的理论,也同样预言:根据产生微量剩余物质的机制,也会有物质的自发性微量毁灭。这种理论认为,在极长的时间里,质子会衰变成正电子,而正电子会进而湮灭电子。这样,一切物质最后注定要归于消失。但其时间尺度是如此之长,以致一个人的身体在其一生中平均才失掉大约一个质子。为了验证这一理论,科学家们正在地下深处(为的是消除宇宙线的干扰)研究观察极大量的物质,试图揪住一个正在消失的质子。因为这样的研究观察过程从根本上说是统计性的,所以要耐心的等上几个星期才能观测到偶然的反常衰变,要知道,一个质子的平均寿命至少是1030年。这研究观察过程的原理就是堆积起成千上万吨的物质(这些物质就代表着大量的质子)以找出偶然的随机事件。现在,正在进行着好几个这样的试验,而其中至少一个实验已经显示出一些可能的质子衰变事件。
  任何人若想从物理现象中推导出上帝的存在,都得面临一个基本的问题,这问题就是物质的起源。物质在没有反物质的情况下出现,这在先前似乎是奇迹,现在却根据进步了的科学知识,似乎用普通的物理道理就可以解释了。不管某一具体事件是多么令人惊讶,多么不可解释,谁也不敢绝对有把握地说,在将来某一遥远的时刻,人们找不到一个自然现象来解释那令人惊讶的事件。
  那么,上述的那些科学进展真正意味着我们可以用自然过程来解释宇宙的创生了吗?对于这个问题,很多神学家持强烈的否定态度。我们所描述的那些过程,并非从无中创造出了物质,而是将先前存在的能量转化成了物质。我们仍需要首先解释那用于创造物质的能量是从哪里来的。这难道真是得用超自然的解释吗?
  然而,当讨论从物质转向能量的时候,人们得小心谨慎。能量是个相当难把握的概念,尤其是在现代物理学中。什么是能量?能量可以有很多不同的形式,例如很可能只是运动。在实验室里,粒子可以以极高的速度碰撞,于是,以前只有两个粒子的地方,会出现四个粒子。新粒子的出现,是以那两个原先的粒子的速度降低为代价的。把那无形的运动转化成有形的物质,就很有从无中创造有的味道。
  还有一种可能性更令人惊讶,这就是从能量为零的状态中创造物质。之所以会出现这种可能性,是因为能量既可以为正,也可以为负。运动的能量和质量的能量总是正的,但引力的能量,如某些引力场或电磁场的引力是负的。有时会出现这样的情况,创造新生物质粒子质量的正能量正好被引力或电磁力的负能量抵消了。例如,一个原子核附近的电场很强,假如能够造出一个含有200个质子的原子(这是可能的,但很困难),整个系统就会变得不稳定。这时即使没有任何能量输入,也会生出电子正电子对,这是因为,新生的粒子对所发出的负电能可以恰好抵消其质量中含有的能量。
  引力场的情况就更奇特了,因为引力场只不过是空间弯曲,是弯曲的空间,锁闭在空间弯曲中的能量可被转化成物质和反物质的粒子。这种情况现在在黑洞附近就有,而且很可能是大爆炸时粒子的最重要来源。这样,物质就自发地从空空如也的空间里出现了。于是问题就来了,到底是原初大爆炸具有能量?还是整个宇宙是一种能量为零的状态,其中一切物质的能量已被引力场引力的负能量所抵消?
  简单地计算一下可能就能解决这个问题。天文学家们能够测量诸星系的质量,星系间的平均距离,以及它们退行的速度。把这些数字代进一个公式,就能得出一个数字,而某些物理学家已经把这个数字解释成宇宙的总能量了。这个数字在可观测的精度里的确是零。为什么会有这样的结果?宇宙学家们长久以来一直迷惑不解。有些宇宙学家提出,有一个深藏不露的宇宙原理在起着作用,根据这一原理,宇宙的能量就得恰好为零。假如真是这样,宇宙就可以走那阻力最小的路,用不着输入任何物质或能量就可以诞生了。
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