第三章 真理之路:世界的本质
科学与时间
科学的思想
科学总是寻求发现和了解客观世界的新现象,研究和掌握新规律,总是在不懈地追求真理。科学是认真的、演进的、实事求是的。同时,科学又是创造的。科学的最基本态度之一就是疑问,科学的最基本精神之一就是批判。
作为现代文明的基石,科学对人类文明的影响不言而喻,不过很少有人理解什么样的知识或者学科才能算作科学。作为一个现代人,我们需要了解科学的本质问题——虽然这个问题没有唯一的答案,但是对不同科学的思想来说,对科学的理解却是确定的。了解了什么是科学,才能继续探讨在大历史观下的真实世界是如何的。
这里先介绍几个不同的科学思想脉络中对科学的介绍。英国学者查尔默斯在他的著作《科学究竟是什么》中主要介绍了归纳主义科学观、否证主义科学观、结构主义科学观和贝叶斯主义科学观等科学思想。所谓归纳主义科学观,科学是对事实进行归纳推理所得到的理论,即认为科学是以事实为基础的,我们应该先观察事实,再进行归纳总结,得到相关的科学思想。而在否证主义科学观看来,科学是可以被检验的并且有可能被证明是错的,如果一个理论无法被检验,或者无论怎么说都有道理,就是“伪科学”,例如,星座学、风水学等就不属于科学的范畴。结构主义科学观就是许多理论在一起组成的理论体系,科学理论需要有核心的范式,有核心范式的理论才是真正的科学。当然,我们知道不同科学范式面对的问题有很大差异,即使新的范式出现了也难以被科学所接受,也就很难被认为是普遍意义的科学。最后一个理论是贝叶斯主义科学观,这个理论认为一套理论的对错是概率问题,我们可以根据新证据对理论支持的程度来调整这个概率。
以上几个理论思想从不同维度描述了科学的内涵,也告诉我们,科学本身的观念都在变化,那么属于科学范畴的学科也会在不断变化和受到挑战,我们可以看看科学中最重要的学科——物理学的一些观念的变化。
近代物理学的发展建立了几乎全部现代科学的基石,物理学所衍生出来的科技革命从根本上改变了我们的生活,无论是光电的发现还是当代的人工智能技术,都离不开物理的发展。由近代物理学的发现所产生的宇宙观是以牛顿力学的宇宙模型为基础的,它给出了自然哲学的一般理论,带领人类理解和改变这个世界。然而,它的缺陷也是明显的,因为它所建构的宇宙是三维经典欧几里得几何空间,是一个始终静止和不变的绝对空间。在这样的空间里一切都是可计算和没有变化的,就好像牛顿自己所说,“绝对而真实的数学上的时间本身,就其本质来说是平稳地流逝着的,而与任何外界事物无关”。
这种严格的决定论把宇宙当做服从数学规律和因果律的机器,基于因果律的哲学来源于伟大的哲学家笛卡儿,通过将自我和外部世界进行分割,让人类获得了改变世界的能力。随着量子理论和相对论的发展,这样的理论体系已经站不住脚了——相对论影响了人类对物质世界的看法,尤其是对基本粒子和它们相互作用力的看法。相对论将物质组分之间的作用力与物质其他组分的性质相联系,从而统一了力与物质这两种概念,也就是万物的基本粒子似乎是可以转化的。
需要知道的是,经典的物理学机械论的宇宙观并非过时和毫无作用,对于描述和指导我们在日常生活中遇到的大多数物理现象是有用的——这也是人类文明发展到现在的基石之一,作为技术的基础极为成功,但是它在解释亚微观领域的物理现象中失效了,即在日常生活无法观测的领域中失效了。打个比方,人类拥有两种不同的认知方式,一种是理性的,另一种是直觉的。前者的代表是科学的理性,是整个西方哲科体系发展到现在的基石,也发展出了经典的牛顿物理体系;后者的代表是宗教的感性,是整个人文领域最高峰并带领人类走过了绝大部分蒙昧的时光。理性带领人类获取经验并理解客观世界,发展出抽象而理性的知识,人们通过学习不同的学科获得一系列抽象概念和符号,能够作为“理性人”理解世界。而感性的宗教精神则采用了一种混沌的理念指导世界,或者更直接地说,是建立了一种动力系统的观念理解世界,这套思想体系近年很受大众的关注,因为它的分支——混沌学在理解量子世界中获得了惊人的成果。
自从海森堡1927年指出了量子力学中的“测不准原理”以后,即证明不可能在准确测量粒子位置的同时,又准确测量其动量(质量乘以速度),混沌系统就帮助人类理解微观世界。这里不得不提的是19世纪末法国数学家庞加莱的“三体问题”的提出,通过拓扑学的方式,庞加莱指出,即使我们完全掌握了运动规律,两组不同的初始条件差别很小,也会导致系统随后的运动很不同——这就完全确定了非牛顿体系的世界,应该用更系统的理论和更有机的观点来解释。科学的研究手段主要是通过分析小样本的实验数据对宏观世界进行演绎和归纳、分类和总结,而这样的方法论在人类理解世界边界越来越大的时候显然不合时宜。绝对的理性只能理解绝对的世界,而在相对不确定的世界里,只能用相对的知识与动态系统的理念去理解。科学的抽象方法显然还是有它的作用和力量的,但是我们付出的代价是脱离了客观世界,作为一个观察者去理解世界而不是参与者,越来越严格的学科分类和概念,让人类离真实的世界越来越远。
总结一下,对科学是什么的理解是一个存在很多答案的问题,而落实在学科上,经典也会不断被推翻。可以确定的是科学就是不断怀疑、不断进步、不断接近真理的一个过程。在后面的探讨中,大家也会逐步理解复杂的世界并没有一个统一的认知,而需要建立的是越来越复杂的思维方式。
时间的方向
我们太迟钝不能及时承认巨大的变化,只因为我们看不到中间步骤。我们对这种缓慢的、逐渐发生的改变总是毫无知觉,直到有一天,时间的手为我们打下漫长岁月流逝的烙印。
我们每分每秒都在度过时间,那么我们对时间真的理解吗?或者每个人对时间的观念有什么差异呢?从物理学上来讲,时间是一个特别重要的概念,如普朗克时间。普朗克长度是物理学在理论上能够测量的最短距离,光速是信息传递的最快速度,而普朗克时间就是任何物理过程被任何仪器测量感知到所需要的最起码时间。
根据宇宙起源的大爆炸理论,从奇点到普朗克时间发生了什么没人知道,而在那个时间之后,引力开始出现,物理世界出现了基本的四种力,可以理解的宇宙就出现了。正如霍金所说,人们普遍的感受是,时间和空间截然不同,空间可能再回到相同的场所,而时间就如离弦之箭一样,一去不复返。事实上,时间的形象和概念在不同时期是不一样的,尤其是随着现代物理学的发展,对时间的方向进行深度的探讨,也让我们重新审视自己的时空观念。接下来,我们会探讨时间理论在不同历史时期所扮演的角色和对人类认知的影响,建立一个更加深刻和具有洞察力的时间观念。
古希腊的时间观念是循环的。柏拉图在著作《斐多》中描述苏格拉底在临死之前关于死亡问题的探讨。在书中,苏格拉底用哲学的方式论证了灵魂不朽并表明相信灵魂不朽对人生非常重要,并给了关于哲学的一个描述,即“哲学就是练习死亡”。这位先哲对死亡的态度是喜悦和真诚的探讨回归,也表明了时间在他的理念中的重要地位。柏拉图的学生亚里士多德则进一步论述了有关时间的想法,他在《物理学》一书中说:“凡是具有天然运动和生死的,都有一个循环,这是因为任何事物都是由时间辨别,都好像根据一个周期开始和结束,因此,时间也被认为是个循环。”
循环时间的概念让大多数人感到安慰,古希腊的神话中也往往采用这一概念和理论来慰藉人类在现世中所受的苦难和折磨。基督教则把线性和不可逆的时间之箭一下子插到了人类的心脏中,这个理念不仅是为基督教在宣传上赢得了大众的信仰,而且也为达尔文的进化论开辟了道路。随着17世纪中期惠更斯成功发明第一部摆钟,时间的概念就更明确了,人类获得了“客观”的时间概念,经典的物理学中时间成为一个恒定的概念,用来预测和计算世界上所有事物的运动规律和速度。在牛顿的理念中,宇宙中任何事件都发生在某一个空间的某个时间点,这个时间和空间的要素是唯一确定的。
接下来,爱因斯坦的相对论颠覆了牛顿绝对时间的概念,他认为存在是四维的,是在合并三维空间和一维时间的四维空间的存在,对于不同运动状态的观察者所看到的时间是不一样的,即运动越快的物体,时间就越慢。有一个著名的双生子假设,即一个男孩搭乘太空船前往距离太阳4光年的恒星探险,女孩留在地球等待恋人归来。假定男孩搭乘的太空船的速度为光速的80%,去恒星需要5年时间,往返需要10年时间。如果是20岁去往恒星的话,那么女孩30岁时男孩才会回来,不过当男孩回来的时候,他只度过了6年的时光,女孩则已经30岁了,原因是太空船经历了两个极端的飞行。第一个阶段,双方运动状态相同,当男孩向恒星持续飞行时,由于运动是相对的,所以,运转中的地球和太空船的运动状态是完全相同的,两人的年纪变化也是相同的;第二个阶段,当男孩到达恒星后转向回去时,太空船需要将速度减为零,再转向地球,即经历减速、速度为零和加速的运动状态,在它的运动状态发生变化的时间里,对于处于相对静止状态下的地球而言,太空船是运动的,因此,处于运动状态的太空船时间才会减慢。
还有一个著名的观察是宇宙空间里的射线冲入地球以后,形成了中微子,中微子如果处于静止状态则会在一百万分之一的时间内损坏变为其他粒子,即在时间没有变慢的情况下,即使以光的速度也只能运动数百公尺。而实际情况是,在地面上测到了中微子的存在,即得出结论是由于中微子以接近光速的速度运动时,时间变慢而中微子的存在延长了。
最后,我们探讨的是时间和热力学之间的联系。首先介绍一个概念——“熵”。熵是德国物理学家克劳修斯在1850年提出的术语,用来表示任何一种能力在空间中分布的均匀程度,分布的均匀程度越大,分布的均匀熵就越大,当系统能力完全均匀分布时,这个系统的熵就达到最大。所谓熵增原理,即为“热量不能自动从低温物体传导到高温物体,但不等同于通过外界做功使热量从低温物体传到高温物体”。绝大多数情况下,熵是不断增长的,普通熵增大方向就意味着时间由过去流向未来,就好像水杯中溢出来的水,熵增原来决定了发展方向,而能量守恒定律决定了平衡,这个原理被爱因斯坦认为是科学定律之最。
奥地利科学家玻尔兹曼对熵的统计力学和他给出的玻尔兹曼方程在解释时间的方向上给出了深刻的洞见,他认为熵是从起点开始增加的,热力学的时间箭头告诉我们,如果要使时间从过去流向未来,就必须在最初的时候准备好低状态的熵。而大多数科学家认为,宇宙创始时,可以说处于极低熵状态,那才是我们周围存在时间箭头的根本原因,初始的宇宙处于极低熵的状态,宇宙在大爆炸之后不断加速,形成了不断熵增的状态——如果宇宙一直膨胀,能量不断消耗成为废热,即“宇宙热寂”的过程。玻尔兹曼原则成为目前物理学研究者广泛应用的工具,并推导出热力学逻辑下宇宙正在逐步走向混乱和热寂。
总结一下,关于时间的理解,不同时期的科学观念是有差异的,而对时间的理解我们也在不断变化。所以,当有人问你:“什么是时间?或者我们能不能时间旅行?”时,你的回答应该是:“不知道,但是我很好奇这样的可能性。”我们在时间之箭的方向上,没有办法停止,正如霍金所言“生活是不公平的,不管你的境遇如何,你只能全力以赴”。
量子世界观
在这个精神的世界里,时间不分割为过去、现在和未来,因为它们自行收缩为现在,这个单一的时刻;在这个时刻,生命在它真正的意义上颤动着。过去和未来都在这照亮的一瞬间推移过去,这个现在的时刻和它的全部内涵不是静止不动的,因为它在不停地继续前进。
科学在不断发展的过程当中,不同的理论和发现层出不穷。20世纪最伟大的发现是量子力学,这是在17世纪以后最伟大的革命。近年来,物理学家发展出的一系列相关理论都建立于量子力学之上,例如,量子场论、规范场论和超弦理论等。量子力学有别于其他学术理论的原因,是其改变了我们关于理解世界和问题的方式。牛顿力学认为,物理理论提供数学机器和计算方法,能够让科学家根据有限的数据条件去计算任何粒子的位置和速度;而量子力学采用了所谓波函数的数学结构,告诉了物质所在某个位置和速度的概率,即在经典物理学中,某个粒子存在于确定的某处,而量子力学中,某个粒子是有一定的概率存在某个位置。也就是说,从量子力学的角度来说,我们既生活在此处,也生活在彼处——这是一个不确定的世界观,我们在这里针对这个问题进行初步的探讨。
首先,我们看看物理学家们对量子力学的理解。按照物理学家们的看法,目前主要的流派有两种理解,一种是工具主义思想,另一种是真实主义思想。所谓工具主义思想,这派科学家认为量子力学方程只是一个工具,能够帮忙计算微观的世界,因为量子力学能够描述微观世界的所有自然现象而不适用于宏观世界。而真实主义思想则认为量子力学描述的就是真实世界,认为这个世界本来就是同时发生两个不同的事情,也就是平行宇宙是存在的(这个概念在科幻小说中非常流行以至于很多人认为是真实的)。
由于平行宇宙还没有被发现,我们仅仅看一下量子力学作为工具的影响,也对我们的世界观有很大的影响,因为量子力学的发展让我们重新审视人的价值,没有人的观察,量子的世界就是不确定的,因此,可以推断人的意识和自由意志都是存在的。这里涉及的两个概念就是薛定谔的猫和量子的叠加。简单来说,就是如果人不参与量子世界的观察,世界就是不确定性的,是同时发生多种可能性的,而人一旦参与以后就拥有了确定性,所谓量子叠加态就结束了。这里也涉及上文探讨的时间的方向的概念,有人认为存在所谓量子纠缠的现象,量子的纠缠让时间拥有了方向。当然,我们并不需要细究,只需要理解量子世界是不确定的,而人类的参与让这个不确定性消失,量子态也就不存在了。
然后,我们需要理解量子力学所发展的世界观对我们观察世界的影响。由于量子力学的发展,与量子物理相联系的动态系统,混沌和复杂科学不断发展,这正对应了整个世界越来越复杂的发展趋势。我们把旧世界的价值观(牛顿力学的价值观)理解为一个绝对的世界。绝对的世界是静止不动的,每个个体(或者基本粒子)都是因为因果法则在既定模式下运转,只有特定的关键要素对其有决定性的影响;而量子世界观则把每个个体(粒子)的变化都考虑其中。新的世界充满了不确定性,量子跃迁(突变)和混沌的复杂状态是常态,事物之间是互相联系的,个体和环境时刻都在互动中,强调整体而不是部分,强调关联而不是分离,强调立体思考的逻辑而不是线性思考的逻辑。
量子世界观在描述一种不确定的、模糊的世界里提供了一个新的思想方式,而我们的思想也需要从旧的思想范式中进行转换。经典的世界里,我们面对的是冰冷绝对的规则,由于这个世界按照精密和确定的经典数学原理在演化,不管我们个体意志如何,都会按这些规则确定,这让大多数人感觉到沮丧——毕竟金字塔的社会结构决定了大多数人都是食物链的底层人群。而量子世界则是相对的,会出现黑天鹅事件和蝴蝶效应,在这样的世界,我们无法预测所有的事情,如果只依靠过去的经验判断就很容易陷入谬误中。
最后,探讨的是广义相对论和量子力学之间的关系。广义相对论关注的是宏观的问题,量子力学关注的是微观问题,一般情况下它们是相安无事的,但如果我们在很小的尺度上进行计算,这两套理论就会发生冲突。广义相对论认为物质告诉空间如何弯曲,空间告诉物质如何运动,在这个体系中,宇宙是一张平滑的膜,而量子力学认为空间在微观层面是运动的,宇宙在微观尺度是一个混沌的世界,这两套理论之间的矛盾就是量子力学描述的不确定性导致了对微观世界的解释的差异,而目前解释这个问题最有效的理论就是弦理论——这也是我们接下来探讨的内容。
宇宙的秘密
弦论的思考
弦理论认为,我们的宇宙不是由点状的例子组成的,而是由一根根振动的弦构成的,弦的不同振动模式,就产生了不同的例子。
在介绍弦论(超弦理论)之前,我们再说一下上文所说的两个现代物理学的主要理论,一个是爱因斯坦的广义相对论,这套理论为我们从大尺度认知宇宙(如恒星、星系及其他由宇宙膨胀引发的自然现象)提供了理论框架;还有一个是量子力学,量子力学为我们认知小尺度的宇宙即粒子的世界提供了可靠的工具。这两套理论看似解决了人类认知事物的极大难题,但是引发了新的问题,即二者不可能同时正确,在弦论出现之前,二者相安无事,科学家还为二者创造了不同的数学工具——正如微积分是牛顿力学的基础,黎曼几何是广义相对论的基础,而微分几何与拓扑学则为量子力学提供了工具。但是,为了解决宇宙中的黑洞问题和大多数物理学家孜孜不倦追求终极理论的热情,弦论出现了——这套理论是目前出现的最重要的,把所有的自然力、所有粒子统一起来的终极理论。接下来我们将大致介绍一下这套理论框架。
弦论的思想其实早就出现了,古希腊的哲人认为世界是由“不可分割的原子”所构成的,虽然无法用实验进行验证,但是后来的物理学家逐渐发现了质子、中子和电子等物质,再进一步通过加速器找到了三族基本粒子包括四种夸克、中微子和电子等——基本粒子的发现越来越多,让物理学家感到困惑不解。接着科学家又发现了四种基本力(粒子之间的施加影响的方式),包括强力、电磁力、弱力和引力,基于这些发现,物理学家需要回答一个问题——宇宙的这些粒子和相互之间的力,为何是现在的存在形式,宇宙的这些粒子和相互之间的力,为何是现在的存在形式,如何用一套理论去解释这样的现象?这就是弦论的出现背景,它提供了一个能囊括上述所有力和物质的解释框架。
弦理论认为,我们观测到的这些粒子,不过是弦的不同振动方式的反映,就好像琴弦一样,不同的振动频率产生了不同的基本粒子——这是一种浪漫的比喻,物质的世界被比喻成琴弦的共这是一种浪漫的比喻,物质的世界被比喻成琴弦的共振,就好像上帝在演奏曲子,然后诞生了基本世界的粒子,粒子之间有不同形式的作用力,从而产生了现有的世界。超弦理论把微观世界比喻成充满琴弦的音乐宇宙,修正了我们对宇宙超微观物质的理论描述,解决了广义相对论和量子力学之间的矛盾,因为弦在空间延展的性质是同时满足两种理论的需求的,并且提供了所有物质的同一个最小要素,即振动的弦。想象一下弦的形象是光滑空间结构里的微小裂缝,弦在空间通过时会发生振动,每根弦可能处于无限多个可能的振动状态中的一个,就好像振动时产生的泛音,它会永远振动下去并且无法静止,正是这些不同的振动,使得其被探索成不同的粒子——因为每种粒子对应了弦的因为每种粒子对应了弦的某种振动模式。
从这套理论当中,我们可以总结出三个结论:第一,物质是由振动的弦所组成的,物质基本构成元素是由一根根振动的“弦”所构成的,虽然都是由弦构成的,但是因为弦有不同的振动模式,所以产生了不同的粒子。第二,弦理论解决了上文中我们提及的量子力学和广义相对论之间的冲突。由于在普朗克尺度下量子力学和广义相对论之间有矛盾,而在弦理论中,空间并不是无限切割的,而物质的基本构成元素是弦。因此,在普朗克尺度下的空间所发生的事情是不能相互影响的,即限制了广义相对论在这个尺度下的作用,也就解决了相互之间的矛盾。第三,弦理论建立起了一套新的人类对宇宙的认知,同感数学推导科学界发现弦理论中的宇宙是11维的,即由10个空间维度和1个时间维度所构成的,10个空间中有三个维度是展开的,而其他7个维度是蜷缩的。在这里我们可以这么理解弦论的价值,即弦论提供了一个引力的量子力学图景,不得不在距离尺度小到普朗克长度时修改广义相对论。因为黎曼几何是广义相对论的基础,需要发生改变才能对短距离下的弦论进行解释,即广义相对论所论断的关于宇宙的弯曲性质由黎曼几何描述。而弦论则认为我们在大尺度下才看见宇宙是那样,而在普朗克长度的尺度下,则应该由量子几何来解释。
以上就是关于弦论的基本作用和原理的介绍,如果你想更深度的理解的话,推荐美国物理学家布莱恩·格林的代表作《宇宙的琴弦》一书,在那本书中可以更深刻地理解弦理论发展到现在的逻辑,以及对整个物理世界发展的未来有更好的判断。
孤独的宇宙
有两种东西,我对它们的思考越是深沉和持久,它们在我心灵中唤起的赞叹和敬畏就会越来越历久弥新,一是我们头顶浩瀚灿烂的星空,一是我们心中崇高的道德法则。它们向我印证,上帝在我头顶,也在我心中。
我们探讨了量子力学,其实也就探讨了现代科学中最重要的发现和逻辑。如费曼所说,如果让他选择一句话概括现代科学中最重要的发现,他会选择“世界是由原子组成的”这句话。这句话很准确地概括了包含牛顿力学和量子力学两种关于世界如何构成的理论体系。接下来我们需要回答另外一个问题,世界是如何诞生的?也就是我们所处的浩渺的宇宙是如何诞生的?这里我们需要探讨宇宙的历史和演化。我们要再记住一句物理学上最重要的话,即“对称性是宇宙规律的基础”,记住这句话对理解宇宙的存在会非常有价值。
1929年,埃德温·哈勃利用太空望远镜发现他所探测到的几十个星系都在离地球而去,而且一个星系离地球越远,远去的速度越快,从数据上来说:距离我们1亿年远的星系以每小时550万千米的速度离我们而去;距离我们2亿光年的星系移动的速度也变成了2倍,即以每小时1100万千米的速度离我们远去。这个发现让科学界非常震惊,因为在这之前主流的科学界认为我们生存于一个永恒静止的宇宙中,而这个发现说明我们生存于一个不断变化的宇宙——这说明我们不是宇宙的中心,而是因为空间这说明我们不是宇宙的中心,而是因为空间是弯曲的,就像气球的某个表面一样,在气球膨胀的过程中,对于气球任何一点来说,其他的点都在离他而去,这就是著名的“大爆炸理论”。
这一发现让爱因斯坦欣喜若狂,因为在广义相对论的方程中,他预言了宇宙的膨胀但是苦于没有实验论证,所以他加入了宇宙常数去完善引力场方程,而这个发现让他可以去掉宇宙常数让方程更加完美。广义相对论在宇宙尺度上告诉我们,时间和空间是可变的而不是固定的,而且可以准确地告诉我们,空间和时间如何随着物质和能量的存在而变化。广义相对论认为空间是一个传播引力而且可以弯曲的存在,宇宙正是通过大爆炸产生了空间和时间,在那之前,时间和空间都是不存在的——这就是所谓宇宙的大爆炸理论。
根据大爆炸理论,我们所依存的宇宙形成于一个被称为大爆炸的炽热而致密的火球中,从大爆炸至今宇宙已经存在了140亿年,在这个膨胀的宇宙中,所有星系都在离我们而去。
宇宙膨胀的速度是超过光速的(物理定律是针对任何物体的移动速度不能超过光速,但是并不包括空间本身),不仅如此,根据物理学家的研究,宇宙正在加速膨胀——这个发现获得了这个发现获得了2011年的诺贝尔奖,也催生了科学家对暗物质和暗能量的研究。按照科学家的估算,宇宙中所存在的全部能量,寻常物质占4%,暗物质占26%,暗能量占70%。沿着这个推论往下走,就是由于宇宙不断地膨胀,真空越大,暗能量越大,因此宇宙膨胀的加速度越大。再过大约一万亿年,除了银河系以外,我们的天空无法观察到其他的星星,对于当时的人类而言,宇宙也就变小了很多——这对于天文学爱好者及科幻爱好者来说,无疑是一个巨大这对于天文学爱好者及科幻爱好者来说,无疑是一个巨大的打击,也许对于现在的我们来说,更残忍的现实是很多星系已经消失掉了,我们所观测得到的宇宙也是一个已经被简化的宇宙,回到宇宙的开始时刻,即在大爆炸发生的时候,所有的宇宙万物都堆积在一个密度无穷大的称为“奇点”的点上。根据斯蒂芬·霍金的理论,实际上,宇宙的原初状态是很简单的,奇点最基本的特征:它是时空的边缘和边界,是一种无限致密的状态,也代表了自然宇宙的外部边界——换句话说,奇点就代表着自然宇宙的外部边界。在奇点处,物质能够进入或离开自然世界。假如奇点是“裸露的”,任何东西都在原来没有物理原因作用的情况下,从奇点处产生出来。
很多围绕着奇点的研究和假设都是物理学家关注的重点。例如,奇点产生的东西是无序和无结构的,还是有条理有组织的。前者认为大爆炸产生了无秩序的宇宙,即霍金所说的“无知原理”,由于奇点本身不可预测因此也应该是完全无信息的:后者认为宇宙是带着某种程度的组织出现的,例如,弦论就认为宇宙的基本物质类似琴弦。
最后,我们谈论一下文章开头所谈论的对称性的重要,大多数科学家通过实验和理论都观测到:在大尺度上,宇宙中所有位置和所有方向都是相对于彼此对称的。研究人员已经证明,正曲率、负曲率和零曲率都能满足对称性的要求,即宇宙的初始虽然可能是缺失了相当一段历史的宇宙——对于人类来说,过去存在的文明和世界已经无法得知,而未来的世界则会越来越孤独,这就是我们所处的世界,一个注定“孤独的宇宙”。
星空的秘密
直到发明望远镜为止,像他们的前辈那样,每一代天文学家看到的都是相同的天空。如果他们知道得更多,那主要是因为他们有更多的书可读,更多的观测记录可供挖掘。
晴朗的时候人们都喜欢仰望星空,在星空中能看到银河,对天文有研究的读者还能找到由银河两岸的织女星、牛郎星,还有天津四所组成的夏季大三角。由于我们自身所处银河系,所以对银河的观察非常容易。而很多星系是裸眼无法看见的,这些星系乃至更大的超星系团都是宇宙大爆炸之后产生的。接下来我们讨论一个问题:宇宙大爆炸发生以后,这个宇宙发生了什么呢?
是无序的,由于对称性的作用,产生的真实的世界反倒是有序的。大爆炸理论只说假定最开始时有一场爆炸,并没有解释为什么爆炸和如何爆炸。科学家们认为,正是因为对称性的存在,宇宙物质得以有序和存在,时间的意义和空间的整体形状正因为对称性而获得价值——正因为如此,我们虽然生活在越来越孤独的宇宙中,即使存在本身,我们也应该感到幸运和偶然。宇宙的定律对我们来说,还是非常宽容的。正如刘慈欣在《三体》中所说的,我们在安逸的生活中太久,以至于忘却了生存的幸运了。
首先,我们看看早期宇宙,在大爆炸之后宇宙迅速冷却产生了元素周期表中的前三种元素:氢、氦、锂。最早诞生的恒星和星系都是由氢和氦所构成的。大爆炸将能量与物质分离,而引力将它们重新聚集,引力之所以发生作用就是因为巨大的物体让时空产生了弯曲,引力对能量和物质产生相同作用,从而造就了宇宙最基础的形态。正因为引力的作用,氢原子和氦原子被更加紧密地挤压在一起,原始星云开始不断地塌陷和收缩,这些星云从星系到恒星都有。引力将星云不断压缩以后,压力不断增大,温度不断升高,在体积较小的云团中就出现了高温度和密度的区域,也就产生了最开始区域的恒星。
在这个过程中,氢原子不断发生核聚变为氦原子,丢失的质量转化为能量,恒星就像氢弹一样不断爆炸,聚变反应所产生的热量和能量抵消了引力的作用使得恒星内部的引力和膨胀力保持了平衡,从而形成了稳定的形态,这就是第一批恒星是如何产生的。最早的恒星到130亿年的今天仍然存在,而更多的原始恒星则在不断的爆炸中逐步形成了后续的恒星。到今天为止,每年也有大量的恒星在宇宙中出现。
然后,我们了解一些宇宙中的特殊物体,主要介绍黑洞、暗物质以及引力波。黑洞实际上是奥本海默通过爱因斯坦的广义相对论推论出来的,黑洞是整个宇宙最重要的一种结构。天文学家发现,黑洞位于许多星系的中央,与恒星相比,它们的密度非常大,其引力所释放的能量要大得多,它的空间区域十分致密以至于任何物质和能力,甚至连光都不能逃脱其引力的作用。而暗物质则是因为天文学家通过研究星系的旋转方式,可以大致计算出一个星系中到底含有多少物质。而星系包含的暗物质则是观察不到的物质,这部分物质的质量是能观察到的物质的6~10倍。天文学家目前精确测量至少需要6倍的暗物质才能提供足够的引力,才能形成目前的宇宙。值得注意的是,暗物质是因为物理学家在计算星系质量的时候计算出来的而不是直接观测到的,目前还不确定这些暗物质是如何构成的。
目前有两种主要解释,一种解释是由比电子更小的粒子所构成的,即中微子所构成的;还有一种解释是有很多无法观测到的巨大物体构成的暗物质。当然还有一个解释就是暗能量,不过由于目前对暗能量的研究更初级,所以我们不讨论这个话题。最后我们探讨一下引力波。2017年的诺贝尔物理学奖颁给了三个物理学家,他们的主要成果就是建造了LIGO探测器并探测到了引力波。这几位科学家通过引力波观测到了双中子星的合并并确认了引力波的发现,正因为这个发现,人类有望探测更广阔、更细致的宇宙,包括恒星的爆炸、曾经的宇宙爆炸等。引力波出现最大的意义就是,人类可以利用空间本身的颤动来观察宇宙。
最后,我们讨论下恒星的衰亡和毁灭的问题。大部分恒星会消耗掉全部的氢元素,即全部通过核聚变反应变成氦元素,在哪个阶段氢聚变反应无法继续,恒星中心就开始冷却并开始塌陷,恒星体积开始不断变大,氦聚变反应开始发生,因为氦聚变只能将少部分质量转化为能量,所以很快就结束。在这个过程当中,恒星中心在塌陷而外层不断变大,新的元素不断产生,恒星无法再通过聚变维持住恒星所需要的引力和能量,恒星就灭亡了,周围就是新产生元素的灰烬。
恒星的衰亡是一个重要的过程。一方面恒星在不断爆炸衰亡的过程中创造了必要的元素,正因为这个过程除了氢和氦以外的新元素不能产生。另一方面只有通过这个过程,才能为周围的其他行星提供能量。例如,太阳也是由星云的引力作用所构成的恒星,太阳大概形成于46亿年前,还能维持大概50亿年时间,也就是迄今为止太阳的年龄是宇宙的1/3了。如果没有太阳,地球也不会存在,因为太阳提供了地球所需要的光和热来维持地球的生命。随着时间的推移,太阳也会不断地走向衰亡,体积不断变大,把包括地球在内的很多行星吞噬掉。
总结一下,大爆炸之后,包含氢元素和氦元素的巨大星云构成了早期宇宙。
而过了大概十亿年以后,早期的恒星产生了,这些恒星通过不断的核聚变和塌陷产生了复杂的元素,从而产生了更为复杂的宇宙和后来的恒星。从宇宙学的观点看,太阳终有一天也会衰亡,而我们的地球在那一天到来之前,就不会再存在生物了。
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