书城科普读物地球之难:困境与选择
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第17章 天平倾斜

天文学家对宇宙、星系、恒星、行星的研究,令人惊异地将我们与宇宙的起源和演化联系起来了,地球及其所在的星系和宇宙都处在一个演化的过程中,地球生命不仅是地球环境演化的产物,而且与地球、太阳系、银河系、宇宙的演化有关,甚至与宇宙的起源有关。

宇宙的起源仍令人困惑。1917年,爱因斯坦发现用他的广义相对论数学模型描述的宇宙整体时空,宇宙要么膨胀,要么收缩,而不会静止不变。1929年,美国天文学家埃德温·哈勃及其同事发现星系都在彼此相互分离,宇宙在膨胀,并提出了著名的哈勃定律:v=H0×d(v为退行速度,d为星系距离,H0为哈勃常数),这意味着时间越往回溯它们彼此就靠得!近,直至彼此重叠融合。1927年,比利时教士兼学者乔治·特梅特首先提出宇宙起源于原始原子(宇宙蛋)“大爆炸”假设,1940年,美国物理学家乔治·伽莫夫将这一假说推进了一步,并预言存在“背景辐射”。1964年,由于“宇宙背景辐射”的发现,“大爆炸”理论获得了有力的支持,开始在宇宙学界活跃起来,经过几十年的发展,这一理论现已成了宇宙学界的主流。

这一理论认为“大爆炸”后的万分之一秒时,温度为1012K,密度为每立方厘米1014克,此时质子、中子、电子等单个粒子很难独立存在,它辐射的光粒子携带着极大的能量,按爱因斯坦质能公式E=mc2,以能量换取质量,将自己转化为粒子对,以这种方式生成的一对粒子几乎总是由一个粒子和一个与它对应的反粒子所组成,它们相遇时相互湮灭而生成高能光子,以辐射的形式交还构成它们的能量,这种辐射与物质相互转化的沸腾场面只持续了极短的时间,到百分之一秒时,温度降到1011K,开始稍稍平静。到十分之一秒时,温度降到3×1010K,由于物理定律的微小不平衡,即基本相互作用运转中的细微不对称,使天平朝质子倾斜,粒子与它的反粒子湮灭的辐射中每10亿个光子会多出一个粒子,中子数与质子数之比从50:50降到38:62。到1。1秒时,温度降到开氏100亿度,中子与质子之比降到24:76。到13。8秒时,温度降到开氏30亿度,中子与质子之比是17:83,开始偶尔形成由一个质子和一个中子组成的氘核。到3分零2秒时,温度降到开氏10亿度,中子与质子之比降到14:86,中子与质子开始形成稳定的核,开始时是氘,然后是氦。到3分46秒时,中子与质子比降到13:87,幸存的中子被禁锢在氦-4(He-4)核内,由于每个氦核含两个质子和两个中子,转变成氦的核子总质量正好是中子质量的2倍,即26%,其余的则是独身的质子———氢核。到半小时后,温度降到开氏3亿度,全部正电子与几乎全部电子湮灭,只有与质子数相等的十亿分之一的电子保存下来,产生了严格意义上的背景辐射,但宇宙仍然太热,不能形成稳定的原子,每当抓住一或两个电子以形成一个原子的核,电子都会被背景辐射的高能光子打跑,充满宇宙的光子与电子的这种相互作用持续了30万年,使宇宙不透明,直到温度降至6000K,光子不再具有形成原子的足够能量,在随后的50万年中,每个质子俘获一个电子,每个氦核俘获两个电子,所有电子被禁锢在原子中,背景辐射不再与物质有明显相互作用,宇宙变得透明。到一百万年前后,恒星和星系开始形成。

天文学家认为我们所在的宇宙起源于约137。5亿年前的一个密度无穷大而体积为零的“奇点”大爆炸,这个奇点被认为是没有时间、空间、物质和能量,无内无外的点。但如果认为“奇点”是一个绝对的“无”,那也未免太过神秘。受我们的认识所限,可以把它看成是一个已知物理学定律失效的地点,也可以设想是“黑洞”内部物质在引力作用下坍缩的点,“大爆炸”是物质受到量子过程的影响有可能反弹而转为膨胀(爆炸),爆炸后不是星系像炸弹爆炸后的碎片那样在空间中穿行,而是宇宙膨胀形成空间和时间,星系的分离是空间的膨胀,就像气球上的点在气球被吹大而彼此分离那样。这个假说说明了化学元素的起源,并能解释宇宙中氦的丰度和背景辐射。

但是,这个理论也不是没有疑点,如:这个理论认为看得见的宇宙只占宇宙的4%(组成星系的物质只占宇宙质量的4%),看不见的占96%,其中23%是暗物质,73%是暗能量,没有它们就难以解释宇宙中的引力和排斥力。美国和印度已有科学家指出,有证据表明“大爆炸”时已经有存在了数十亿年的完全形成的遥远星系,同时,引力波无法探测到也对大爆炸理论提出质疑。此外,英国一些科学家对占96%的神秘的暗物质、暗能量的存在提出质疑,它们可能并不存在,标准模型的基础性计算可能存在致命的缺陷,这意味着宇宙膨胀的速度比原先设想的要慢,并最终停下来。

我们知道任何具体的事物都有时空的限制,但很难想象整个宇宙也是如此,因为我们立即会想到宇宙之前、之后、之外是什么的一系列疑问,而科学不能用“无中生有”来消除终极疑问。要消除这些疑问,就只能设想我们所在的宇宙只是众多的宇宙中的一个,宇宙很可能有无数个,前面提到的美国和印度已有科学家指出“大爆炸”时已经有存在了数十亿年的完全形成的遥远星系,即是一个证据。我们这个宇宙只是一个宇宙收缩后的反弹,在这之前还有一个“前宇宙”,它与我们膨胀的宇宙不同,它始终向“奇点”收缩,当它收缩到最紧凑状态时,就开始反弹,形成我们的宇宙。

我们这个宇宙已经够大了,它拥有数以十亿计的星系、万亿计的恒星。我们所在的银河系拥有1千亿至2千亿颗恒星,它的演化时间约为100亿年;太阳是其中的一个恒星,它的演化时间约为50亿年;地球是太阳系中的一颗行星,它的演化时间约为46亿年。从大爆炸到恒星、星系形成,再到适合生命的行星形成,经过了漫长的好几代的星系出生入死的演化过程。最初的恒星只含有氢和氦轻元素,较重的元素包括构成我们这种生命形式的碳、氧、氮等,是在恒星内部经由核聚变才形成的,当最初恒星中的大质量恒星在其生命终结发生爆炸时,这些较重的元素又为新的年轻星系形成提供材料。太阳是在多代前辈恒星生生死死演化了约80多亿年后才诞生的,约90亿年后才在太阳系中演化出了地球,约100亿年后地球才演化出了生命。

从宇宙起源于“大爆炸”到地球演化出生命,这之间有何联系吗?追寻这种联系要求我们从宇宙学、天体物理学层层进入直到地球物理学和生物学。法国著名地质学、古生物学家和神父德日进认为精神和物质在宇宙形成时即以初级形式共存,这两种形式能量的结合互补趋向于越来越复杂,生命从这种复杂化中浮现出来,生命的复杂化在人和意识出现时达到一个顶峰,地球生物圈复杂化的下一步是智力圈出现,与宇宙他处的智力圈一道汇集于欧米加点。

德日进认为,宇宙是由同样的质料编织、密切地结合在一起的整体,从电子、原子、分子到星系,物质在其大小不同的层层组合中,永不重复自己。所有的物质都是由一群初发的微粒排列积累而成,物质至少从分子这一层开始,便“服膺生物大律”,朝向一种不断复杂化的积累过程前进。由于意识是高等生物才具有的现象,使得科学长期将它排斥在对宇宙所建构的模型之外,但意识是物质的“内在性”“内涵”,有与宇宙共久长的广袤性,在时空的每一处,与物体的外露同广阔。在太初,意识与物质一样是同质的,随着时间的推移而日渐复杂,意识之集中程度与物质组合之简单程度呈反比,意识的集中、完善程度与物质的复杂性,是同一现象的两面或相互关系的部分。

德日进的上述思想曾一度遭到科学家们的严厉谴责,被当成是玄学幻想、胡说八道,而不屑一顾。但时过不久却又在一些物理学家和天文学家中引起了共鸣,1974年,美国物理学家卡特(BrandonCarter)提出了“人存原理”,1986年英国天文学家约翰·巴罗(JohnD。Barrow)和美国物理学和数学家弗兰克·蒂普勒(FrankJ。Tipler)出版700页、600个数学方程、1500条注释和文献,涉及历史、哲学、宗教、生物学、物理学、天体物理学、宇宙论、量子力学、生物化学等广泛内容的《人存宇宙原理》一书,他们毫不犹豫地赞扬了德日进理论的基本框架,在思考宇宙的未来时,他们认为生命和心智正在侵入整个宇宙,正在趋向欧米加点。现在赞成人存原理的物理学家为数不少,物理学通过他们的探索已步入了非常怪异的领域,在爱因斯坦的相对论、普郎克的量子论、海森伯的不确定性以及黑洞、宇宙弦、夸克、胶子等等之后,他们使宇宙的奇特性远远超过了人们的想象。以至美国理论物理学家、诺贝尔奖获得者温伯格(StevenWeinberg)说,宇宙看起来越可理解,就越令人不得要领。生物学界持生命高度不可几的偶然性甚至唯一性的观点的科学家则大有人在,法国著名生物学家莫诺(JacquesMonod)认为,宇宙并不孕育生命,生物圈也不孕育人,人在宇宙无情的宏大中是孤独的,仅是偶然出现在其中。科学界关于生命高度不可几的偶然性与生命到处存在的必然性的尖锐对立,令人困惑。克里斯蒂安·德迪夫则认为生命是宇宙的组成部分,甚至是已知宇宙中最复杂、最重要的部分。

“人存原理”这个说法可能给我们对宇宙、生命、精神现象带来神秘感和理解上的混乱,就像拉伍洛夫的“盖娅”曾带来神秘感和理解上的混乱一样。因为自然没有演化、进化的目标和计划,更没有人知道未来将如何演化、进化,但演化、进化的事实是:它确是朝着复杂化的方向演进。宇宙学的研究表明,我们所在的宇宙只有在它的初始条件和物理参数达到特定的精确的数值时,才有产生出生命和进化出我们的可能。如果“大爆炸”后随之而来的降温过程中,由辐射到物质—反物质对的转化一直是对等、平衡的,那么,每个粒子都会碰到它的反粒子而湮灭,其结果是宇宙除了辐射外不会留下任何东西,宇宙就没有质子、中子来制造我们今天所看到的所有东西。如果宇宙膨胀得稍慢一点,到温度降到氦核得以形成时,就没有中子留下来供制造氦核。如果膨胀稍快一点,就会留下大量的中子,使得所有从大爆炸产生的核物质取氦的形式,而不会有自由质子制造氢,这两种情况都会使宇宙变成完全不同的状态。宇宙含有一些氦而不完全由氦构成,取决于引力和氦核形成的核力之间的某种平衡,引力决定宇宙膨胀的速度,核力决定质子与中子结合生成氦核的速度,如果这种平衡稍有不同,我们就不会存在。

宇宙从“大爆炸”到今天,为了进化出生物和智慧生物而如此这般地演化了一百多亿年,这是不可想象的,如果这样理解人存原理,就难免要滑向神秘主义。可以想象的是,我们所在的宇宙,只是宇宙中的一个区域或者是无数宇宙中的一个,宇宙的其他区域或其他宇宙的物理定律与我们所在的区域或宇宙可能不同,我们所在宇宙的不同可能有它们的影响,不同于我们的宇宙也不可能有与我们类似的生命形式存在,我们的存在是宇宙无数区域或无数宇宙中的一个出现特定的微妙的倾斜平衡的结果。