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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。...
  对这样的死星来说,以及对所有逃脱死于黑洞这一厄运的气体和尘埃来说,这逃脱只是暂时的。假如大统一论是正确的,那么,这些宇宙流浪者的核物质就是不稳定的,大约1032年之后,它们的核物质就会蒸发干净。中子和质子变成正电子、电子,正电子和电子又进而相互湮灭,并湮没任何其他再生的电子。一切固体物质就这样分解了。这种大屠杀的最终结果是什么,要视宇宙实际膨胀速度而定。假如真是象有人估计的那样膨胀得较快,那么,快速膨胀的宇宙就会把电子和正电子扯开,使它们不能相撞,因而也就不会发生完全的湮灭,宇宙当中总是剩下一些粒子。那些湮灭的粒子则产生伽马辐射,伽马辐射本身也随着宇宙的膨胀而缓慢地减弱。除此之外,还有大爆炸残留下来的中微子和热辐射。所有这些东西都会逐渐冷却下来,温度跌向绝对零度,但它们彼此间的降温速度有所不同。物质(电子和正电子)冷却得比辐射快。因此,尽管物质和辐射都走向绝对零度,它们的温差也逐渐减小,但是,它们之间总有一定的温差,而这温差原则上讲是能用作自由能量(负熵)的来源的。因而,尽管这高度衰竭的宇宙的熵已接近其最大值,但从未达到其最大值,所以,在这一限度之内,热死永远也不会发生。
  假如宇宙膨胀得较慢,电子和正电子的湮灭就会更容易发生。然而,电子和正电子相互毁灭并非是单纯的偶然碰撞的结果。电磁力使电子被吸引到正电子那里,使它们能够形成一些被称作电子对的“原子”。计算显示,在缓慢膨胀的宇宙中,大部分粒子在1071年之后都会成为电子对,但电子对这种原子实在是稀奇古怪,竟有千万亿光年那么大!这些粒子缓慢地环绕着彼此旋转,它们运动1厘米要花100万年的时间。电子对是不稳定的,它们的巨大轨道会因为它们发射的很低能的光子而非常缓慢地损坏下去。10116年之后,大部分电子对将会崩溃,所有的粒子将发生接触,于是立即会发生湮灭。在电子对的轨道崩坏期间,每个电子对“原子”将放射出不少于1022个光子,使熵大大地增大。
  黑洞也并非一直静止不动。在第十三章里简要讨论过的量子效应表明,黑洞严格地说并不黑,而是借着热辐射一直在发着幽暗的光。一个质量跟太阳一样大的黑洞,其温度低得可怜,才只有绝对温度的零上 100亿分之 1度,而超级黑洞的温度更低。只要宇宙的背景温度高于它们的温度,黑洞就会通过吸热而非常缓慢地持续增大。当黑洞与其他物体或其他黑洞相撞时,仍然会出现一些活动,随着黑洞自旋的消耗,黑洞的旋转会逐渐慢下来。但是,当空间的温度最后降到黑洞的温度以下时,便会出现最为激烈的变化。
  比其周围环境热的黑洞会损失热量,因而也就损失了能量。能量的损失将会使黑洞收缩。而黑洞收缩又会使温度稍微增高,使能量辐射加速。于是,黑洞便开始滑向遏制不住的蒸发过程。在极长的时间里,黑洞的收缩速度一直向上攀升,最后,大约经过10108年之后,那些起初比很多星系加在一起还重的黑洞将会缩得一干二净,无影无踪。
  现在,人们都还不知道黑洞会如何死亡,但黑洞似乎有可能缩得极小,变得很热,于是开始创造物质。但黑洞在这一阶段只能存活几十亿年。最后,黑洞很可能爆炸,变成一些伽马射线,一点往昔存在的残迹都不留。
  上述这些研究显示,我们现在所看到的这个充满活动、富丽堂皇的宇宙将会有一个惨淡的下场。尽管宇宙灭亡所需时间长得令人无法想象(请记住,10100是1后面有100个零),然而,看来没有什么疑问的是,我们目前所观察到的一切结构注定要消失,只留下那黑暗、寒冷、近乎空无一物的空间,其中的物质密度越来越低,只有几个零星的中微子和光子,以及很少的其他东西。很多科学家觉得这个场面很令人沮丧。
  然而,宇宙还有另一种下场。之所以得出上述让人沮丧的结论,是因为假设宇宙会一直膨胀下去。这个假设并不确实。人们已知,宇宙的膨胀速度一直在稳步地降低,因为引力在抑制着星系分离。有些天文学家认为,宇宙的膨胀有一天会停下来。实际情况是否真是这样,要由宇宙引力的大小来定,而宇宙引力的大小又要由物质的密度来定。因为宇宙物质包括看不见的物质(如中微子和黑洞)以及看不见的能量(如引力波),所以,要想估计总体的物质密度几乎是不可能的。
  假如宇宙的膨胀真的停下来了,宇宙也不会保持静止。宇宙会开始收缩,其收缩运动是其膨胀阶段的时间映像。开始的时候,收缩是缓慢的,但几百亿年之后,收缩的速度就会加快。各星系现在是彼此相离而去,那时就会开始相互靠近,而且靠近的速度越来越快。宇宙的收缩阶段会酿成大灾难。
  当宇宙缩至现有大小的1%时,收缩的效应会使温度高到水的沸点,地球(假若太阳在作垂死挣扎时地球有幸不死的话)将会变得无法居住了。那时,观察者也不能分辨一个一个的星系了,因为随着星系间的各空间靠到一起,星系也就开始彼此融合了。宇宙若进一步收缩,温度还会进一步提高,那时,天空本身也会变成火炉,在这白热化的空间之中,恒星也会开始沸腾,然后爆炸。
  这时,各个事件的进程加快了步伐。所有的结构都会消散,它们的原子也分崩离析。在短短几千年的时间里,原子核本身也会在迅速增高的温度中被击成碎片。这时,事件的时间尺度将小得不可思议。宇宙先是在几分钟的时间里收缩一些,然后又在几秒钟,又在几微秒钟里收缩很多。累加的引力将宇宙的收缩变成了失控的向内爆炸。这,就是所谓的“大崩塌”。
  这些可怕的事件引发了诗人诺曼·尼科尔森的灵感,使他写出了这样的诗句:
  假如宇宙
  倒转并现出
  它的本相;
  假如可见的光
  向内流逝,自天空暴风雪一样的降下
  众多的星系,
  黑夜的透镜就会烧得
  比聚焦的太阳还亮,
  人就会失明
  因为他眼中是一片白热的黑暗。②
  这时的宇宙离死亡就只有几微秒了。大崩塌就象倒转的大爆炸。核粒子分裂成夸克,在短暂的时间里,所有的亚核粒子都被创造了出来,但是,整个宇宙一下子就在一瞬间缩得比一个原子还小,于是,时空本身也分解了。
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