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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。...
  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。
  然而,持怀疑态度的神学家会说,即便是可以证明宇宙开初时只有一种单一的超力和为数不多的简单粒子,但这超力和这些粒子又该如何解释?为什么会有这种超力?事实上,为什么会有定律?
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