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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。...
  在本世纪60年代中期,原初宇宙最重要的遗迹被偶然地发现。两位贝尔电话公司的物理学家无意中发现来自空间的某种神秘的辐射。经过仔细分析,揭示出这种将整个宇宙都浸润其中的辐射是原初宇宙高热的遗迹,是原初宇宙火球正在暗淡下去的最后光芒。宇宙大爆炸,就象任何爆炸一样,产生了大量的热。宇宙气体花了100,000年才冷却到太阳表面的温度。又过去了180亿年,宇宙温度降低到谷底,只是比绝对零度高3度。然而,现在仍有大量的能量被锁闭在宇宙热辐射里。
  知道了作为宇宙创生遗迹的热辐射现在的温度是多少,那么,要想得到它在各个时期的值就是个简单的计算问题了。宇宙一典型的区域在体积上每扩大1倍,其温度就要下降50%。反过来计算,就很容易推算出,宇宙创生后第1秒时的温度是100亿度。这似乎是相当热了,但这个温度完全是在实验室可模拟的范围之内。运用现代粒子加速器产生高能对撞,就有可能在极短的一瞬间模拟出原初宇宙爆炸后亿分之1秒时的情况,当时的温度是令人咋舌的千万亿度。因而,天文物理学家们可以相当有把握地模拟出很多个大爆炸发生之后的物理过程。
  利用这样的模型,就可能通过计算得知宇宙在爆炸诞生之后的每个时期,宇宙间的物质是什么形态。例如在大爆炸发生之后的5秒到5分钟这一期间,当时的物理条件适合发生核反应。主要的物理过程是氢核通过聚变成为氦以及一些氘。根据计算预测,氦与氢质量的最终比率应是25%,这个比率很接近我们今天所观测到的这两种元素的相对宇宙丰度(氢与氦构成了宇宙中99%以上的物质)。计算预测与实际预测的结果有如此惊人的一致,这使我们对热大爆炸理论基本概念的正确性有了信心。
  大爆炸发生之后1秒之内的各个时期涉及极高能物理。在那极高的温度下,物质完全破碎,其主要构成成分(将在第十一章讨论)呈裸露状态。这极早期即宇宙诞生后的第1秒现在是理论物理学家们的热门研究课题。有一些理论物理学家认为,早期宇宙的很多情况都可以用当时发生的物理过程给以解释。在接下来的一章里,我将描述这方面某些较新近的发展。
  大爆炸理论在很大程度上已被天体物理学家看成是理所当然的了,而氦丰度的计算长久以来也已经成为标准宇宙学的一部分了,因而,那些早先取得的科学研究成就的重大意义也就容易被人忽视。要是19世纪的一个考古学家声称发现了伊甸园,并拿出了一件文物可以确凿无疑地证明是上帝创世第一天的作品,那么,他的话就得引起轰动。氦或许是大多数人所不大熟悉的,但很容易买到它的工业制品。这平平常常的实验室制备的物质竟是在原初宇宙的火炉里形成的,它不是在那火炉燃着的第一天而是在那头几分钟里形成的,这真是太不可思议了。
  尽管当前的科学观点为创世论提供了强有力的证据,然而,我们还得要记住,宇宙从此以后能常生不老这种看法却找不到任何逻辑的理由。从物理学上看,宇宙永生的主要困难是热力学第二定律,这一点我们已经说过。但是,物理学家们时时提出一些机制来克服这一困难,其中之一是赫尔曼·邦迪、托马斯·戈尔德、弗雷德·霍伊尔提出的稳态理论(the steady-state theory)。这一理论有很多翻版,但所有的翻版也都一致认为,宇宙在年龄上是无限的。提出这一理论的物理学家们也明白,若说宇宙的年龄是无限的,便会碰上热力学意义上的热死问题,但他们绕过了这个问题,办法是假定新的低熵物质在被不断地创造出来。这样,物质就不是一下子出现在一场原初的大爆炸中,而是在极长的时间里逐渐地、或者很可能是零星分散地在多次小爆炸中出现的。新物质出现的平均比率是受调整的(很可能是受某种反馈机制的调整),这样,当宇宙膨胀,现存物质的密度降低时,新出现的物质就会填充空档,因而维持了大致均衡的宇宙物质密度。于是,众星系离散形成的越来越大的空地方就这样被新创生的星系填补了,宇宙的总体也就经历了多少时代而面貌不变。从整体上看,一切都没有变化(见图3)。大爆炸模型则与此相反,星系的密度在稳步地减小,宇宙的结构和排列都在演变。
  霍伊尔试着提出一种新型的、携带负能量的场来解释物质持续不断的创生。这种场的稳步增强提供了物质创生所需的正能量(能量变物质将在下一章里描述)。于是,稳态模型中就完全没有上帝的地位了。因为,第一,创造物质所必需的原初能量不必被创造,只要将负能量储入另外的某个系统,就会有原初的能量;第二,空间和时间不是由创生而来的,而是一直就存在的。
  稳态模型在哲学上对很多科学家有极大的吸引力。这些科学家们为这一模型的优美、简洁所吸引。然而,天文学的进展了结了这一理论的所有简洁版本,1965年发现的宇宙背景热辐射道道地地成了钉在装殓这一理论的棺材上的最后一颗钉子。不过,它仍然是一重要的理论,因为它证明,一个既不是突然创生、也不会有热死的宇宙在逻辑上是可能的,而且,在这样的一个宇宙中,一切过程、包括物质出现的过程,都可以在自然的机制中找到原因。
  现代宇宙学为天地的创始提供了强有力的物理证据,这一事实很让宗教思想家们满意。然而,光有天地创始还不够。圣经告诉我们说,上帝创造了宇宙。科学能够对大爆炸的原因提出任何解释吗?这个问题,就是下面一章的主题。
  第三章 上帝创造了宇宙?
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  我想知道上帝如何创造了这个世界。
  爱因斯坦
  我用不着这样的假说。
  彼埃尔·拉普拉斯《致拿破仑·波拿巴》
  最近,一家著名的期刊以大字标题宣布:“天文学家们发现了上帝!”那篇文章的主题是大爆炸以及我们在了解宇宙极早期方面的新近进展。在通俗报刊文章里,宇宙创生的本身就被认为是足以揭示出上帝的存在的。但是,宇宙的创生难道真的是表示着上帝造成了宇宙的创生吗?能不能设想一种没有上帝的宇宙创生?难道现代物理学真是终于要揭示出物质宇宙的局限、并迫使我们去乞灵于超自然的东西吗?
  创生(Creation)*这个词有许多意思,清楚地辨明其众多意思之间的区别是很重要的。宇宙的创生可被认为是表示突然之间,物质从那混沌的、无结构的原始形态被组织到现在我们观测到的复杂的秩序和活动中。宇宙的创生也可能真地表示在先前无形的虚空中创造出物质。或者,宇宙的创生也可表示整个的物质世界,包括空间和时间,从无中突然出现。另外,还有生命及人的创生问题,我们后面再谈。
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