纷繁复杂的宇宙,看似不可能发生的事件一直都在发生

时间:2023-11-20 08:29:02

约翰·马瑟(John C.Mather):NASA戈达德航天中心高级天体物理学家,合著有《第一缕光》(The Very First Light)。

纷繁复杂的宇宙,看似不可能发生的事件一直都在发生

基于从夸克到加速膨胀宇宙的全部尺度,对已被观测到的宇宙所具有的无以伦比的复杂性,我们能给出怎样的理论呢?我所心仪的理论(当然肯定不是我发明的)是,生成自然不稳定性的物理学基本定律,即能量流和混沌。一些人把这样的结果称为生命力,另一些人认为,地球本身就是一个生命系统,还有些人则认为,可观察到的复杂性需要一种超自然的解释(我们已经有诸多事例)。我的爸爸是一位在乳制品领域工作的统计学家,在我很小的时候,他就教我关于细胞、基因、进化和概率的知识。从那时起我就明白,一个科学家必须要去寻找,大自然的定律和统计规则是如何将我们带进有意识存在的世界的。而且,看似不可能发生的事件一直都在发生,原因是什么呢?

关于自然的不稳定性,物理学家握有数不胜数的案例,如果我们能解开其中的奥秘,那么世间那些复杂的事物就都能得到简化了。最常见的就是,在冰点以下的温度下冷却水蒸气,其可以生成雪花,这些雪花各不相同,纷繁而美丽。这些现象都是我们日常所见,所以我们不以为奇。但物理学家却观察到这其中的变化,从一种结果变为另一种结果的诸多变化类型,我们称之为相变,该发现对理解共同特性的数学运算大有裨益,因而此项发现赢得了1992年的诺贝尔奖。

下面我们列举一些事例,来阐释自然定律生成的不稳定性是如何导致我们自身的存在的。首先,宇宙大爆炸(一个多么缺乏想象力的名字啊!)显然是来自于不稳定性的,宇宙从“假真空”最终衰减为我们今天所具有的普通真空,还有我们已经获知的最基本粒子:夸克和轻子。所以,宇宙作为一个整体,起源于不稳定性。接踵而至的是大爆炸和冷却的发生,自由夸克发现自己过于不稳定,于是自行集聚捆绑在一起,形成了今天的次基本粒子:质子和中子,这些次基本粒子释放了一些能量并具有了复杂性。

接下来,不断膨胀的宇宙略微冷却了一些,从而中子和质子,不再因为极高的温度而分离,但由于它们自身的不稳定性,最终形成了氦核。然后再继续冷却,原子核和电子也不再分离,宇宙变得透明。等到又冷却了一些时,下一个不稳定性又显现了:重力将横跨整个宇宙的物质牵拉在一起,形成了恒星和星系。这种不稳定性被称为一种“负热容”(negative heat capacity),从重力系统提取出的能量使得它更热,显而易见,热力学第二定律在这里并不适用。这就是美国诗人卡明斯(Cummings)“让星辰分离的奇迹”这句话的物理学版本。

再接下来出现的不稳定性是,氢和氦原子核熔合后释放出能量,这导致恒星燃烧数十亿年。当燃尽燃料之后,恒星变得不稳定,从而发生爆炸并释放化学元素进入太空。鉴于此,诸如地球这般的行星,持续的能量流恰好支持了不稳定性的增加,并发展出各种复杂的模式。重力的不稳定性牵引着密度最高的物质进入到地核,并在内部不断翻腾搅动,向外部释放热流,只留下一层薄薄的水和空气。来自太阳的热量,绝大部分在靠近赤道的地方被吸收,再流向南北两极,于是造成了复杂的大气和海洋环流。

由于上述原因,地球上遍布天然的化学实验室,元素在此集中混合,升高或降低温度,通过产生无数不稳定的事件,永不停息地进行着各项实验。其中就有一种被称为“生命”的新实验。现在我们了解了,宇宙中存在像恒星一样多的行星,很难想象,在大自然不停歇的实验之下,会无法在某处制造出生命,但这点我们时至今日还没有找到原因。

伴随着在环境中广泛生存的生物、地球环境的变化、繁荣与萧条的循环往复、食物链上的环环相扣、每种罪行的罪犯、防止犯罪的政府以及政府自身的不稳定性,生命在不断地制造新的不稳定性和进行着永无止息的进化。

其中一个不稳定性就是,人类需要新型武器和各种新产品,从而吸引对科学技术的投资,因而构建了自然与人类竞争和斗争的世界,从而制造了先进的武器和手机。到了2012年,人们竞相撰文和思考,他们的后代子孙是否会以人工生命的形式回到太空去旅行一番。让我们仔细沉思一番,万物生长的自然之力,究竟起源于何处。荷兰理论物理学家埃里克·韦尔兰德(Erik Verlinde)曾提出,万有引力,是迄今为止,唯一仍抗拒我们在量子理论方面的研究成果的力量。它的本质就是一种基本力,如渗透作用一样,是一种统计的力量。

这是多么惊人的大颠覆啊!但我已经说了,我对这样的颠覆毫不诧异。