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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。...
  弱人择原理和强人择原理二者的科学基础也受到了质疑。整个的人择原理的基础是概率的概念,然而有人也利用概率的概念来反驳它。这里的问题涉及小起伏对大起伏的相对可能性。我们可以再想一想那个乱弹琴的黑猩猩。那黑猩猩乱弹过的长时间之后,我们有理由期望听到一个熟悉的曲调的一串3个或4个音符。假如要想听到黑猩猩弹出有6个音符的乐句,等的时间就要长得多。随着有序的程度的提高,黑猩猩弹出正确的音符的可能性便陡然下降。再举一个例子。4个人摸一副洗过的扑克牌,很可能每人都摸到1个A。但是,每个人都摸到1个A和2、3张同花的顺牌的可能性就小了。而每一个人都各摸全一套同花牌的可能性则极小极小。这是因为,小的巧合相对而言要比大的巧合可能性大得多。
  从宇宙学上看,一个随机事件造成一颗恒星的几率比起造成整个一个星系的几率要大得多。而随机事件造成几十亿星系的可能性比起造成一个星系的可能性来,就该是无穷小了。但是,据有人推理,确实只有一个星系——很可能只有一个恒星适于生命形成并出现观察者。这推理对吗?那么,为什么我们观察到整个宇宙充满了结构?多宇宙理论认为,大多数宇宙都只有一个星系,每有一个具有两个星系的宇宙,便有无数个单星系的宇宙与之对应。假如有更多的星系,比例的差异就迅速地增长。假如所有的宇宙当中都有观察者,那么,他们当中的绝大多数是居住在单星系的宇宙之中,而不是居住在多星系的宇宙之中。那么,我们又怎样解释在我们的宇宙中存在着如此众多的星系呢?
  对此,人们所能想出的唯一回答是,由于某种尚未明了的原因,一个星系的形成不知如何与宇宙的大尺度结构联系了起来。很可能,只有在某种特定的整体条件具备的时候,星系才能够形成;而一旦出现了这种特定的条件,星系就在各处得以形成。换言之,宇宙要么到处有星系,要么就到处都没有星系。星系的形成与宇宙大尺度结构这种总体联系在物理学上现已明了,但星系形成的机制现仍很不清楚,不能据以对星系形成的可能性作实际性评价。
  三、有序来自混沌论
  对宇宙秩序的起源之谜,第三个反应是有人试图证明,宇宙的秩序是通过自然的物理过程从起始的混沌状态中产生出来的(这里所说的“自然的物理过程”不仅是罕见得不可想象的起伏)。(在第四章里,我们详细地讨论了这种理论,所以在这里只作一个简短的总结。)乍看之下,这种理论似乎注定要失败。热力学第二定律岂不是说了吗,秩序能走向混沌,而混沌则不能走向秩序(这里暂且不谈偏离平衡态的起伏)?
  事实的确如此,但我们还得把热力学第二定律搞得细一点。严格地说,热力学第二定律只是为应用于完全封闭的系统而提出的。显然,任何一部分宇宙,不管有多大,也不是封闭的,因为它与周围的那些部分的宇宙有接触。更为重要的是,整个宇宙都在膨胀,这是大家都知道的。而膨胀这种外在的扰动会造成完全出人意料的情况。
  这里可以举一个很好的类比。设有一个普通的汽油发动机上的活塞和汽缸,一种气体被活塞堵在汽缸中。假如活塞处于静止状态,该气体便处于平衡状态,在汽缸中各处的温度和压力都是一致的。这是一种熵值最大的状态。在这种情况下,我们不能期望汽缸中的气体会进一步发生变化:该气体没有任何有序的结构或有组织的行为。假设现在活塞被猛然提起,使气体膨胀,那么,这种气体便立刻不再到处都有同样的温度和压力了。靠近退去的活塞处的气体密度变小了,因为它的空间大了。当气体流向这一空间时,便发生了湍流。假如活塞又被推回来,推到起始的位置上,气体就又会静下来,进入新的热平衡状态,但由于这种扰动,熵会增大。当活塞运动时,气体会暂时生出一种结构和组织。
  在热力学第二定律中,我们有没有发现漏洞呢?没有。气体的熵在活塞运动一周之后增大了(气体更热了)。起始的平衡状态曾是最大熵的状态,这状态与对这活塞气缸系统的外在拘束是一致的。然而,当活塞运动时,这些外在的拘束发生了变化,使气体得以寻求更高熵的状态。简言之,起初的平衡状态只是一种相对的最大状态,而不是绝对的最大熵状态。
  在宇宙学的场合中,宇宙的膨胀所扮演的角色与上面所说的活塞类似。宇宙膨胀和活塞活动都使外在的拘束发生了变化。宇宙学家们指出,原初宇宙根本就不是处于一种有序的状态之中,而是接近于热平衡。我们现在所观察到的各种常见的结构——星系、恒星、原子——在大爆炸时都不存在。实际上,在宇宙创生之初大约一分钟之内,温度是如此之高,以致连原子核也不能存在。但不知为什么,从原初的混沌中产生出宇宙现在的有序结构。到底是如何产生的呢?
  我们所熟悉的地球上的大多数复杂组织,如生态系统和天气模式,都是由太阳光产生的。太阳光是最重要的负熵来源,地球上一切复杂的组织都赖其为生。太阳的负熵储藏是其核燃料(主要是氢)。核物质自身最高熵形态是由质量不大也不小的元素构成的,如铁元素。阳光的产生就代表太阳产生的熵。太阳试图通过一系列核反应将氢变成铁,于是就产生了阳光,产生了熵。太阳有序(负熵)的秘密,以及大多数其他恒星保有负熵的秘密,应当在其氢含量中寻找。宇宙中的物质大约有4分之3是氢,剩下的4分之1几乎全部是质量之小仅次于氢的物质——氦。为什么这4分之1不全是铁呢?
  关于这个问题,第四章已给出过答案。原初的宇宙当时太热,容不得铁存在,随后,宇宙冷却得太快,容不得足够数量的核反应发生。于是,原初物质就这么落在低熵的氢的形态之中,不能够达到变成高熵的铁的目标。只是后来出现了恒星,这种情况才发生了变化。
  按着这一思路解释,显然就不必假想宇宙在创生之初就处于显著的有序状态之中。原初的物质实际上是处于一种完全无序的状态(最大熵)。这样的状态可以通过很多很多的方式来达到,带着别针的造物主只要随便将别针往“采购单”上一别就行。宇宙有序的起源之谜这就算解开了。
  难道真是解开了吗?
  的确,宇宙物质的核子状态在产生我们所观察到的结构和组织的过程中是一个至关重要的因素,但它还不能将宇宙的一切都解释出来。那些较大的结构——恒星和星系——是由引力造成的。而且,至关重要的宇宙膨胀也是受控于引力的。关于宇宙的引力组织,我们又知道些什么呢?从引力的观点来看,我们生活于其中的宇宙是高度有序的,还是无序的?下一章的主题,就是这些问题。
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