新物理学思考 (3 ) 衰变有律

新物理学思考 (3 ) - 衰变有律

作者: 秦时月

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送交者: 2001年6月22日21:21:49 于 [彩虹之约- www.bbsland.com]

现代科学是如此之发达，它几乎进入了一切领域，有人称它为第一推动力。对于科学的结论，尽管它可能会错，人们还是会无条件的接受它(专业人员除外)。这很正常，因为从一个较长的时间段来考查，科学是可靠的，它可以修正自己的错误，发现自然的原理，探索自然的奥秘。

从纯自然的角度，现代新物理学的发展，已经可以对宇宙从始至终的轮廓有一个描述。首先让我们从纯自然的角度看看科学对宇宙终结有什么见解。

宇宙学家爱德华·哈里森描述了宇宙死亡的一种悲惨结局，他说：

“所有的恒星将会开始象即将燃尽的蜡烛一样暗淡下去，然后一个个的熄灭。在空间的深处，那些宏伟的天体城邦，那些星系，将满载着多少时代的历史记录缓缓死去。在成百亿年的岁月里，宇宙会越来越黑暗。偶尔会有几点光亮划破宇宙的夜幕，阵阵短促的天体活动使注定要变为星系坟场的宇宙得以苟延残喘。”

这个科学预言最终的宇宙会变成一个“冰场”，建立在宇宙一直膨胀的假设上。这个结局令许多科学家很沮丧。然而，科学家还预言了宇宙的另外一种结局，那就是它最终变为“火场”而“大崩塌”。这个科学预言是这样说的：

宇宙现在在不断膨胀，其膨胀速率稳步降低。有一天宇宙的膨胀会停止，进而转为收缩。其收缩运动是膨胀阶段的时间映象。这种宇宙收缩会越来越快，各星系会相互不断靠近。当宇宙缩至现有大小的1%时，收缩效应会使宇宙温度高高到水的沸点，地球将变得无法居住。很快星系间的界线模糊了，星系彼此融合了。宇宙进一步收缩，温度进一步升高，然后宇宙变成了火炉。恒星开始沸腾，然后爆炸。

宇宙中的各个事件进一步加快步伐， 所有的结构消散了，原子也分崩离析了。原子核本身被巨大的高温击成碎片。事件的时间尺度变小到不可思议的程度，在几微秒中，宇宙的收缩变成了失控的向内“爆炸”。终于宇宙“大崩塌”了。很快，物质没有了，空间没有了，连时间也没有了。宇宙终结了。

当然，并非所有的物理学家都相信宇宙会这样轰轰烈烈的死去。他们还有其他关于宇宙终结的预言。但有一点是共同的，那就是宇宙会“死去”！

有人可能会说，宇宙要死亡是千万亿年后的事，现在管它实无意义。但事情可能并不是这样，因为数年前当科学家们谈论宇宙死亡时，确是以为在讲千万亿年后的事。然而近几年来这个数字却急剧地下降到了数亿年，谁知道该数字再会降到多少年呢。最近，霍金的一项科学预言着实惊人，他认为人类可能熬不过下一个千年。他的预言尽管与宇宙终结可能没有关系，但还是令人心惊胆颤。

或许有人可能会问宇宙的结局为什么会这样呢？难道宇宙非得“死去”吗？对这个问题的答案是肯定的：科学定律告诉人们现在的宇宙是铁定要死的，圣经也告诉人们现在的宇宙是铁定要死的。不过科学的结论是我们没有盼望，而圣经却应许会有一个“新天新地”。

那么科学与圣经到底是怎么说的？这就是我们下面要叙述的事情。

首先我们要谈的是熵增原理，即热力学第二定律。现代物理学家普遍公认熵增原理是宇宙的基本定律，它左右着我们这个宇宙的时间箭头，即热力学时间箭头。一个简单明快的例子可以通俗的说明这个时间箭头：假设在一个桌子上放着一个精美的玻璃花瓶，由于某种原因这个花瓶掉到了水泥地板上打碎了，我们把花瓶破碎的过程用摄像机摄下来。当其他人再观看这个录像片时，他们肯定知道花瓶
的破碎过程发生在花瓶摔下来之前。如果我们看到花瓶的碎片慢慢变成了一个完整的花瓶，我们肯定意识到录像片在倒放，实际过程不会是这样。也就是在一个与外界隔离的系统中，自发过程的结果都是使该系统的熵(无序度)增加。著名物理学家霍金就是用类似这样的例子通俗的阐述热力学时间箭头。

正是这个热力学熵增原理使我们的宇宙无可挽回得向着最大熵的无序态一步步迈进，我们宇宙的秩序正被无情的吞噬着，而这种过程是无可逆转的。我们被定律迫使承认将来有一天宇宙会达到它的最大熵热平衡状态，那时宇宙的温度均一了，没有了任何能产生秩序的温差，宇宙达到了“热死寂”这个物理学家们谈了一百年的东西。另一方面，我们现在的宇宙显然没有达到“热死寂”的状况，这迫使我们承认宇宙有一个有限的年龄，有一个起源。近几十年物理学的大量证据正支持着宇宙有起源的推论，现在几乎没有多少物理学家怀疑宇宙有起始的观点，尽管还有不少“民间业余科学家”试图反正爱因斯坦的相对论，想再恢复原有的时间观念，恢复宇宙无始无终的观念。

但在自然界中很多地方我们也的确能看到局部熵减少的现象，诸如电厂的运行，人类的生命现象，人类的知识增长，自然界的各种自组织现象，等等都是局部熵减过程。然而所有这些局部熵减都不是真正的熵减，而是以更广阔的宇宙背景的更大的熵增换来的。这就是几乎每个物理学家都知道的幽默：在宇宙这个大游戏中，我们不但没的赚，还只有赔。而且，所有的局部熵减都是有一定条件的，不是任意的随机碰撞可以实现的。有些进化论者，用局部熵减的例证来为生命的随机起源做辩护。但这是一个诡辩，因为我们前面看到的局部熵减过程都是有一定条件并受一定规律支配，并非漫无目的的随机碰撞。

当我们现在为科学的发展津津乐道的时候，为科学能够指出宇宙的整个走向而欢呼的时候，我们忘记了古老的圣经在古老的年代就为我们宣告了类似与今日现代科学描述的宇宙的走向，而我们的先辈们却将圣经的宣告斥为荒诞的神话，现代许多的我们仍然重复着先辈们的陈词。为了人们的觉醒，还是让我们看看圣经到底是怎么说的。

圣经创世记开卷第一句话: “起初神创造天地。” 明明白白, 宇宙有开始. 在大卫的诗篇中有: “天地如外衣渐渐旧了.”(诗102:26), 以赛亚书: “因为天必像烟云消散, 地必如衣服渐渐旧了”, 这清清楚楚地说明宇宙在不断退化衰败之中。马太福音中耶稣说: “天地要废去 ，我的话却不能废去 .”(太24::35)，是在宣告天地有废去的一天。

实际上这并不是圣经的支言片语，而是与圣经启示的宇宙观一脉相成。圣经告诉人们上帝创造了一个美好的世界供人类的始祖居住生活，然而，由于始祖背离了上帝，上帝的审判与咒诅就临到了人类与自然界，从而世界就一步步衰败下来，直至死亡。这里我们如果除去信仰的深层描述，只关注自然界的历史轮廓，则圣经的宣告与科学的理论惊人相似。

然而，我们有个问题：圣经宣告神曾经创造了一个美好的世界，这给我们暗示宇宙形成期间必有有序的输入，否则，何以有现在的有序及衰败？

这里，我们要注意。当圣经宣告上帝创造了宇宙时，圣经没有告诉我们上帝是怎样创造的。但我们知道：“(上帝)用智慧建立世界, 用聪明铺张穹苍”(耶10:12)，那么宇宙被创造时有序的输入必是一个奇妙的过程。现在的问题是，科学对这一问题有什么描述吗(请注意，无论什么地方当我谈科学的发现时，并不代表我认为上帝创造宇宙时就用的那种方法，大家务必不要搞混)？

宇宙如何进入低熵状态这个谜牵动了好代物理学家和宇宙学家的想象力。统计热力学的先驱路德维西·波尔兹曼认为盲目的机缘使宇宙进入了低熵状态。他认为，宇宙的有序状态是由一些对平衡态的偏离之间的协作造成的。这些偏离十分罕见，罕见得无法想象。他立论的基础是这样：即使在平衡态，气体分子也不是静止的，而是不停地随机运动，互相碰撞。纯粹的巧合会造成混沌的大洋里一小块有序的飞地，而偏离平衡态可以使有序的机率增加。只要时间尺度足够长，迟早会出现有序的星系。然而，这个时间尺度会大得不可想象(至少要10的(10的80次方)次方年)。不要以为我是笔误把10的80次方年写成了10的(10的80次方)次方年。然而，他认为只要宇宙年龄无限长，那就是可实现的。这是一个狡辩，很多现在的人还在应用类似的狡辩在其他起源的问题上，尽管不是对宇宙有序的起源而言。

波尔兹曼对宇宙有序的起源的假设现在没有物理学家会相信。他们提出了不少别的假设。一个假设是“理所当然论”：宇宙的有序存在是理所当然当然的，否则我们也不能感知它，更不会为它打发惊奇。这种论调等于什么也没说，不过现在还有不少人用此来搪塞别人对复杂结构的质询。除此之外，还有“强人择理论”，“多宇宙理论”，“混沌理论”，等等。但这些理论都不能给我们有序起源的满意解释。然而，一个“引力理论”的出现，却给人们一线曙光。

严格来讲，热力学熵增定律只适应于孤立系统。在宇宙中要把任何东西从引力场中隔离开来是不可能的。宇宙开创时在剧烈膨胀的宇宙中，宇宙物质物质都受到引力场的影响。有了引力，就开通了通过引力场将有序引入宇宙物质的途径，从而在宇宙中造成有序。这个过程相当奇妙。

可以设想原初的宇宙物质温度极高，在引力的作用下，宇宙的剧烈膨胀使宇宙的温度剧烈下降。不过宇宙中不同物质的温度则取决于不同物质本身的特性。而氢气之类的物质的冷却比其他气体的冷却要快的多，从而在宇宙物质中产生了巨大的温差。由于这个温差的存在提供了产生有序的高品种能量，同时在宇宙规律的支配下，有序就会产生了。

这似乎使人想到了圣经的描述：起初神创造天地。地(物质)是空虚混沌。神说要有光(热)就有了光。神看光是好的，就把光(热)暗(冷)分开了。有了光暗分明的宇宙，有序不就很快造出来了吗？而科学却是在历尽了千辛万苦后才发觉了这一点。我们知道圣经不是科学教课书，它不提供科学的详细答案，但它宣告上帝的作为。

至此，问题并没有完。我们尽管可以把宇宙有序的起源推给引力，但我们还需解释引力场的有序是怎么出现的。也就是说，热力学定律是否既用于物质，又适用于引力？最近对黑洞的研究显示出某种迹象，热力学熵增定律适用于引力。然而物理学的两位大师，史蒂芬·霍金与罗杰·彭罗斯却对引力场本身是否是低熵产生了截然不同的见解。他们在1994年举行过一次举世瞩目的关于时空本性的大辩论。不管科学研究的最终结果怎样，有一点是肯定的，那就是宇宙有序的起源必然非常奇妙，因为造物主用智慧创造天地，不会用漫无目的随机碰撞来实现自己的旨意。

以上我们比较了圣经的宣告与当前物理学对宇宙的描述，在宇宙从始至终的大概轮廓上，圣经的宣告与科学的描述有惊人的相似。但是我们也不可否认，圣经与科学在描述宇宙年龄等问题上有较大差异，尽管基督徒对宇宙年龄有不同的看法。然而，科学在不断发展，而科学发展的走向一直朝着圣经的描述迈进。我相信随着科学对宇宙形成的进一步研究，这种差异会越来越小。不是吗？宇宙的年龄从千万亿年，变到了几百亿年，一百八十亿年，一百五十亿年，到最近的一百二十亿年，不就是一个很好的例证吗。现在有人在研究宇宙初期的暴胀，有人在研究宇宙初期的可能光速变化，等等。谁能保证宇宙的年龄预测不会有革命性的剧变呢？

可能有一点是每个人都必须关心的，那就是：科学预言宇宙有终结，而我们没有任何盼望；圣经宣告宇宙有终结，同时又应许上帝会再创造一个“新天新地”。在这个新天新地里，不再会有商增，不再会有热力学第二定律。因为，圣经说：神“要将天地如里衣更换, 天地就改变了。”(诗102:26). 圣经用“里衣”更换来描述宇宙本质改变, 不但使其完美得到恢复, 而且, 新宇宙永远不会再衰败. 也就是说, 在神所造的“新天新地”里, 将不再有热力学第二定律的存在. 正如圣经所说:“我们原知道, 我们这地上的帐棚若拆毁了, 必得神所造, 不是人手所造, 在天上永存的房屋.”(林后5:1).

你想过没有，你是否能进入这新天新地呢？