这种情况可用宇宙的膨胀来解释。在原初阶段温度太高,合成的原子核(如铁)不能存在。只有氢核(单个的质子)最简单的物质才能存在下去。随着宇宙不断地膨胀、冷却,氢就可以变成一些较重的元素了。正如我们在前一章里讨论过的那样,宇宙物质就是沿着这条路走下去的,但走得不太远。约25%的宇宙物质走到了氦(仅次于氢的最简单的元素),只有极小的部分走过了氦。众多的物质之所以没能走远,这得责怪宇宙膨胀。当初膨胀得太快,使物质来不及经过必要的复杂的核反应变成铁之类的合成重原子核。只有几分钟的“爆炒”,温度就降到了核反应点火所需的温度以下。原子核火堆熄灭了,将大部分物质“冻结”在氢和氦的状态中。只是时间过去很久之后,到了恒星形成时,才形成了分散的热点,使宇宙物质继续向较重的元素进发。
总之,看来在膨胀的宇宙中,有组织的能量可以自然地出现,用不着一开始就有。因而,也就用不着将宇宙的有序状态(低熵)归结为神的活动或归结为在最初的奇点处有有组织的能量输入。奇点可能当初放出来的是完全无规则的、混沌的能量,无规则的能量后来在膨胀的宇宙的影响下将自己自发地组织起来,成为如今的安排。注意,现在我们不仅把物质的起源归结为空间的膨胀(见第三章),而且也把物质的组织的起源也归结为空间膨胀造成的。
不过,到了这一步,事情还没完。最终通过宇宙的膨胀而产生有序的是引力场,而引力场理应因而变得有些向无序方面转化才是。因此,我们虽可以通过把责任推给引力而解释物质性事物何以变得有序,但我们接着还得解释一开始有序是怎么出现在引力场中的;解释到哪里才是头呢?
现在的问题成了热力学第二定律是否既适用于物质,也适用于引力。没有谁真了解这个问题。最近对黑洞的研究显示出某种迹象,热力学第二定律适用于引力,但不同的物理学家从该研究结果中得出了相反的结论(见第十三章)。有些物理学家如罗杰·彭罗斯得出的结论是,大尺度的宇宙引力场处于低熵(高度有序)的状态,因而这就是说在宇宙创生时得有有序的输入。其他的物理学家如史蒂芬·霍金则认为,宇宙的引力是高度无序的,这是在意料之中的,是受奇点发出的纯粹无规则无结构影响的结果。因为现在还没有人知道怎样将一空间弯曲(即引力)定量化,这一问题悬而未决。然而,两派物理学家的争论表明了一个重要的东西。未来的理论物理学的进展很可能澄清有关的概念,并且能使人们作出有关宇宙创生之时是否有序的确定陈述。但愿科学有一天能回答长久以来为神学家、哲学家所关注的问题。
不管将引力熵如何定量化的争论结果是什么,一个有意思的事已经出现了。在诸如一箱气体这样的系统中,引力是很小的,小到可以忽略不计。低熵(有序)状态是复杂的,而高熵(无序)状态则是简单的。例如,在一个箱子中,假如所有的气体分子都挤在四角上,这显然与平衡(熵值最大的)状态相比是一种较为复杂的状态,因为在平衡状态下,气体是均匀地分布在箱子中的。与此相比,低熵的引力系统从几何学上看要比处于高熵状态的系统简单得多。引力容易自动地生长出结构来。
这样,本来是均匀分布的物质(恒星或气体)会随着时间的过去而结团,形成星团和稠密的积聚物。总而言之,对不受引力作用的系统来说,有序意指复杂,无序意指简单。对引力来说,情况正好相反。
假如宇宙开始时真有一个高度有序的、低熵的引力场,那么,这个引力场就该是平稳的、均匀的。我们看到,在引力这一特例中,同时满足简单的要求和开初的低熵(有序)的要求是可能的。
这就是说,我们可以把最简单的宇宙(均匀的宇宙)看成是包含着有无限的可能性,能够产生后来的复杂事物的宇宙。这的确是个令人高兴的结论。假如我们要相信宇宙的出现是没有原因的,那么,它在开初时物质和引力的形态最好是尽可能地简单,同时又保留了以后演化为复杂和有趣的形态的能力。难道不是这样吗?
前面的那套假说尽管很成功,但问题不光是宇宙的状态,难道定律可以撇在一边吗?至少,即使在开始时宇宙是处在一种非常简单的状态中,物理定律毫无疑问仍是多而特殊的。这些定律难道是因情况而异的吗?我们能够设想一大堆物理定律失效的情况吗?而且,宇宙的成分质子、中子、介子、电子等等又怎样解释呢?为什么会只有这些粒子?为什么这些粒子会有它们所具有的质量和电荷?为什么这些亚原子粒子的种类不多不少就这么多?神学家有现成的答案:上帝就要这样。上帝是无限的简单,但愿意创造具有复杂多样性的物理定律和物质的成分,他的目的是创造一个有趣的宇宙。
只是在最近,科学家也开始发觉这类问题的答案。新的进展源自一项理论工作。这项理论工作的目的,是将自然界的诸种力统一在一个单一的描述框架中。根据这一理论框架(我们将在后面的一章里全面地给以描述),现今丰富多样的物理定律纯粹是个低温现象。随着物质温度升高,各种作用于物质的力也开始趋于同一,最后,到了1032K这种极高的温度时,自然界所有的力会合成为一种单一的超力,可以用很简单的数学式表示。而且,所有的众多完全不同的亚原子粒子也会失去它们的个性,它们各不相同的特征消失在超高温中。多年来对高能(高能在我们这里就是高温)物理的研究,得出了物质在高温下趋向简单的证据。物理学家们希望发现,随着能量的提高,复杂的亚原子结构会分解,显露出较简单的成分,复杂的力在此过程中也会变得较简单。
假如这些想法是正确的(目前只能说各种迹象令人鼓舞,但要得出什么结论来还为时尚早),那对大爆炸理论会有意味深长的含意。在宇宙创生时的无限高温的情况下,起作用的只有超力和为数不多的几种简单粒子。现今已经分化的各种力和粒子只是随着宇宙冷却才产生出来。这样,宇宙的状态,物理定律,还有物质的各种成分,这一切似乎开初时都处于一种非常简单的状态。
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