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诊断地球 - 世界无心头吗?  [ 返回目录页 ]


  保卫·戴维斯是世界著名的物理学家,也是深受读者欢迎的科普作家,现为澳大利亚阿德莱德大学物理学教授。这篇文章出自他的名作《宇宙的最后三分钟》,是该书的第十一章(最后一章)。戴维斯根据物理学与宇宙学领域内的最新研究成果,对宇宙的未来作了一番审慎的预测;“这种预测绝非基督式的启示。事实上,经验的发展和累积蕴育着空前的潜能,而宇宙的未来使这种潜能充满了希望。然而,我们决不能忽视物之有生亦必有死的事实。死亡或许正是为创生而不得不付出的代价。”
  人们一直在讨论各种可能性以找到摆脱宇宙末日的出路,而上一章所论述的那些奇特的想法并不是这类可能性的唯一代表。每当我作有关宇宙末日的演讲时,总会有人向我问到循环模型。这种模型认为,宇宙膨胀到极大尺度,然后再收缩到大危机,但它并没有完全湮没,由于某种原因它出现“反弹”,并开始另一轮由膨胀和再收缩组成的循环。这个过程也许会永远进行下去。在这种情况下,宇宙就应当没有真正的开始或终结,不过每一次循环都会有特定的开始和结束而把它们区分开来。这种理论对一直受印度教和佛教神话影响的人特别有吸引力,在这类神话中明显地反映出生与死 创生与灭亡构成的轮回。
  我已经简要地描述了有关宇宙结局两种很不相同的科学演化图像。每一种结局都以它特有的方式使人深感寒心。宇宙在一场大危机中把自己完全湮没掉的预言是很吓人的,不过这种事件也许在遥远的将来才会发生。另一方面,一个宇宙在经历有限的辉煌活动时期后,永恒地堕入萧瑟荒芜状态却使人深感沮丧。每一种模型也许都有可能使超人类获得无限的信息处理能力,这个事实对于我们血气方刚的人类来说似乎可以算是一种勉强的安慰。
  循环模型的进力在于它回避了彻底湮没这个幽灵,同时也不会出现永恒的退化和衰败。为避免无止境重复的缺陷,重要的问题是这些循环会因某种原因而使它们互不相同。在有关这类理论的一种流行的说法认为,每次新循环就像不死鸟一样,从燃烧中死去,然后在死去的躯壳中再生。它们从这种原始的条件出发,演变出一些新的体系和结构,并探索它们自己丰富多采的新世界,直到下一次大危机出现时再次把往事一笔勾销。
  虽然这种理论似乎看上去颇有吸引力,遗憾的是它会遇到一些难以逾越的物理学障碍。其中的一个问题是要找到一种能够说得通的过程,使得处于某种极高密度状态的坍缩宇宙能出现反弹,而不是在一场大危机中把自己湮没。这必须存在某种反引力,它在坍缩的最后阶段会增大而变得压到一切从而把暴缩的动量反转过来,并能同正在向内挤压的巨大引力作用相抗衡。现在还不知道是否有这样的力,而且假如这种力存在的话,它的性质也必然是十分奇特的。
  也许可以重温一下,在大爆炸的暴胀理论中,所假定的恰恰是这样一种威力强大的斥力。但要记住,产生暴胀力的激发真空态是高度不稳定的,它会很快地衰退。虽然可以想象这种微小而又简单的新生宇宙应该起源于这样一种不稳定状态,但是,要求一个从某种很复杂的宏观条件下进行收缩的宇宙,能够设法使之都恢复到激发真空态,则完全是另外一回事。这种情况有点像笔尖朝下平衡一支铅笔。这支铅笔马上会倒下,倒下是很容易的,再要一下子把铅笔放回笔尖朝下的位置就难得多了。
  即使假定可以用某种办法克服这类难题,循环宇宙的概念仍存在一些严重的困难,其中之一我已在第一章中讨论过。要是有一些不可逆过程以有限的速度在向前发展,那么对于受这种过程支配的一些系统来说,经过一段有限的时间之后,这些系统就往往会趋近它们的最终状态。正是这条原理在19世纪引出了关于宇宙热寂的预言。宇宙循环的引入克服不了这个困难。我们可以用一个渐渐走得慢下来的钟来比作宇宙。这台钟的运动最终不可避免地要停下,除非有某种外因使它重新上紧发条。但是,有什么机制能够再把宇宙钟的发条上紧,而同时自己又不会受到不可逆变化的支配呢?
  初看起来,宇宙的坍缩阶段似乎是膨胀阶段出现的那些物理过程的某种反演。正在分散开去的星系被拉回到一起,正在冷却的背景辐射又重新变热,而复杂的元素则再次分裂成一锅基本粒子汤。大危机前夕宇宙的状态同刚刚发生大爆炸后的宇宙状态极其相似。但是,这种对称的印象仅仅是表面的。下面这个事实会使我们得到一点启发:当膨胀转变成收缩时,生活于时间反演中的天文学家在好几十亿年中还是看到遥远的星系在退行。宇宙看上去似乎仍在膨胀,尽管它已经在收缩。造成这种错觉的原因在于有限光速带来了表观上的滞后现象。
  宇宙学家理查德·托尔曼(Richard Tolman)在30年代已经指出,这种滞后现象是如何破坏循环宇宙的表观对称性的。理由很简单。宇宙是携带大爆炸后遗留的大量热辐射开始向外膨胀的。随着时光的流逝,星光使这种辐射增强,结果在几十亿年后,充满在宇宙空间中的累积星光所包含的能量几乎与背景热能一样多。当宇宙接下来进入收缩阶段时,星光产生得越来越多。这意味着宇宙在逼近大危机时,散布在整个宇宙中的辐射能比大爆炸刚发生后的辐射能要多得多。因此,当宇宙最后压缩到与今天相同的密度时,它将要稍微热一些。
  超额的热能是通过爱因斯坦公式E=mc的2次方由宇宙包含的物质提供的。在产生热能的那些恒星的内部,诸如氢一类的轻元素被加工成一些重元素,例如铁。一个铁原子核通常包含56个质子和30个中子。你也许会猜想,这样一个核因而就应有56个质子和30个中子的质量,但事实并非如此。这个合成的核比单个粒子的质量之和要轻百分之一左右。造成这部分质量“遗失”的原因在于强核力在原子核内产生的巨大的束缚能,而这部分能量所代表的质量被释放出来提供给了星光。
  所有这一切的结局是,能量从物质完全转化为辐射,由于辐射引力与物质引力大不一样,因而这对宇宙收缩的方式有着很重要的影响。托尔曼指出,在收缩阶段,这种超额辐射使宇宙坍缩的速度更快。假如有某种方法使反弹出现的话,那宇宙也会以更快的速度膨胀。换句话说,每次大爆炸都应当比上一次更大。其结果是,宇宙在每一轮新的循环中会膨胀到更大的尺度,所以循环逐渐变得尺度更大,时间也更长。
  宇宙循环的这种不可逆增长决不是不可恩议的,它只是热力学第二定律必然结果的一个范例。辐射的累积代表嫡的增加,它以循环越来越大这种形式从引力上表现出来。但是,它确实真循环说的概念宣告破产:宇宙明显地随时间演化。回溯过去,那些循环阶梯式地串接在一起,它们的起点既复杂又混乱,而未来的循环会无限地扩大,一直到它们变得很长很长,以至对于任意给定一个循环来说,大体上同永远膨胀模型的热寂演化图象无法加以区别。
  自托尔曼的工作以来,宇宙学家已找到其他一些物理过程,它们同样会破坏每次循环中膨胀阶段和收缩阶段的对称性,一个例子是黑洞的形成。在标准图象中,宇宙开始时并没有黑洞,但随着时间的不断推移,因恒星坍缩和其他一些过程,黑洞便形成了。随着星系的演化,出现的黑洞越来越多。在坍缩的最后阶段,压缩会促使形成更多的黑洞。某些黑洞可能会合并而形成较大的黑洞。因此,接近大灾变时的宇宙引力结构要比大爆炸刚发生后的情况复杂得多,因为事实上黑洞会明显的增多。假如宇宙反弹,那么下一轮循环开始时会比这一轮循环有更多的黑洞。
  看来不可避免的结论是:任何一种循环宇宙,只要它允许把物理结构和物理系统从一轮循环传递给下一轮循环,那它将无法回避热力学第二定律的退化影响。结局仍然会是热寂。避免这种可怕结论的一条途径是假设反弹时的物理条件非常极端,有关前面各轮循环的任何信息都不可能传递给下一轮,先前所有的物体都被摧毁,全部影响统统消失。实际上,宇宙完全从零开始再次诞生。
  然而,很难看出这种模型会有什么吸引力。如果每轮循环在物理性质上与其他循环是断开的,那么一定要讲这些循环是相互继承的,或者说它们代表同一个宇宙以某种方式在延续,那又有什么意义呢?这些循环实际上是一些有不同性质的分立宇宙,也许更正确的是应把它说成是平行存在而不是依次连接的宇宙。这种情况使人想起有关人可以投胎而得以再生的信仰,那里再生的人对他的前世毫无记忆。在哪种意义上人们可以说,这个再投胎的人与另一个截然不同的人是同一个人呢?
  另一种可能性是,由于某种原因违背了热力学第二定律,结果在反弹时“时钟再次上紧了发条”。这种第二定律失效所造成的破坏意味着什么呢?让我们举一个第二定律在起作用的简单例子:关于第二章中讨论过的香水从瓶子中挥发的问题。对香水来说,命运的倒退需要大规模有组织的协调作用,使散布在整个房间中的每个香水分子都吸回瓶子里去。实际上,这是一部倒放的“影片”。正是热力学第二定律使我们清楚了过去和将来之间的区别--“时间箭头”。因此,违背第二定律相当于时间的倒流。
  当然,在听到世界末日来临的霹雳信号时,假定时间简单地倒退以逃避宇宙死亡多少总是一种无能的表现。当旅途变得艰难之际,只是在倒放这部伟大的宇宙影片!
  尽管如此,这种观念已引起某些宇宙学家的注意。60年代托马斯·戈尔德(Thomas
  Gold)提出,对于一个再收缩宇宙来说,收缩阶段中时间也许会倒流。他指出这种倒流应包括在那段时间内所有生物的大脑功能,因而使他们对时间的主观感觉也倒过来。所以,收缩阶段的居民不会观察到他们周围的每件东西在“往回跑”,而应有着与我们相同的感觉,即感觉到的是向前的事件流。例如,他们会发觉宇宙在膨胀而不是收缩。在他们看来我们的宇宙正处于收缩阶段,而我们的大脑则是在倒退着处理问题。
  80年代,霍金也曾一度热衷于时间反演宇宙,只是由于后来承认这是他的“最大错误”才予以放弃,霍金起初相信量子力学用于再收缩宇宙时隐含时间的对称性。但是,结果证明并非如此,至少在量子力学的标准公式中并不对称。最近,默里·盖尔曼(Murray Gellman)和詹姆斯·哈特尔(James Hartle)讨论了对量子力学规律的某种修正,其中先简单地强制设定了时间的对称性,然后探讨这种事态在我们的宇宙年代可能引起的可观测结果。迄今为止答案可能是什么还不清楚。
  俄国物理学家安德烈·林德(Audrei Linde)为摆脱宇宙末日提出了一条很不一样的途径。他所依据的是一种经过他精心制作的暴胀宇宙理论。在第三章的讨论中,对于原始暴胀宇宙的演化图象,人们假定甚早期宇宙的量子态对应于一种特殊的激发真空,它的作用是在短时间内促成飞速膨胀。林德的想法不是这样,他在1983年提出,早期宇宙的量子态也许以一种无序的方式逐点变化:这里是低能态,那里是中等激发态,某些地方则是高激发态。处于激发态的地方会出现暴胀。此外,林德对量子态变化特性的计算清楚地表明,高激发态暴胀得最快而衰退得最慢。结果是对某个具体的空间区域来说,能态激发得越高,宇宙应暴胀得越剧烈。显然,在极短时间之后,能量碰巧为极大因而暴胀也最快的空间区域会膨胀得最大,并占据整个空间的最大部分。林德把这种情况同达尔文进化或经济学联系起来。对应于某个甚高激发态的一次成功的量子涨落,所产生的结果是那个区域的体积在瞬息之间便出现巨大的增长,尽管这意味着它外借了大量的能量。所以,那些借了许多能量 处于超级暴胀之中的区域很快便取得了统治地位。
  无序暴胀的结果是,宇宙会被分割成一团微宇宙,或者说一团宇宙泡,某些泡发疯似地暴胀,而有的则根本不出现暴胀。因为纯粹是由于随机涨落的结果而使某些区域具有十分大的激发能,在这些区域内出现的暴胀会比原始理论中所假定的暴胀要强得多。但是,这些区域正是暴胀最强烈的区域,所以要是在暴胀后宇宙中随机选择一点,那么这一点很可能就落在这种高度暴胀的区域中。因此,我们自己在空间中的位置很可能便位于某个超级暴胀区内很深的地方。按林德的计算,这种“大宇宙泡”也许已经暴胀了10的8次方幂。这是一个在1的后面跟着1亿个零的数!
  我们自己的宏伟宇宙版图应只是无限多个高度暴胀宇宙泡中的一个,因而在庞大无比的尺度上,宇宙看上去仍然会是极端无序的。我们这个宇宙泡的延伸距离之远大大超出了目前可观测宇宙的范围,在它的内部物质和能量大致呈均匀分布。但是,在我们的宇宙泡之外还有其他宇宙泡,以及一些仍处于暴胀过程中的区域。事实上,在林德模型中,暴胀永不停息。始终有一些空间区域正发生暴胀,那里正在形成新的宇宙泡,哪怕另一些宇宙泡走完它们的生命循环而已死亡也没有关系。所以,这是某种形式的永恒宇宙,它同前面一章所讨论的子宇宙相类似。在这种宇宙中,生命 希望和宇宙泡永恒不息地在涌现出来。因暴胀而产生宇宙泡决无结束之日,可能也谈不上有什么起点,尽管现在对此还存在某些争议。
  其他宇宙泡的存在是不是为我们的后裔提供了某种救命之索呢?他们能不能通过不断地迁移到另一个更年轻 因而拥有大量时间的宇宙泡去,以逃避宇宙末日,或更精确地说逃避宇宙泡的末日呢?1989年,林德在《物理通讯》杂志上发表了一篇大胆的论文,题为“暴胀后的生命”,文中所谈的正是这个问题。“这些结果意味着暴胀宇宙中的生命永远不会消失。”他写道,“遗憾的是,这个结论不是自然而然地意味着人们可以非常乐观地对待人类的未来。”林德注意到,任何一个特定的区域,或宇宙泡,都会慢慢地变得不适宜人类居住。因此引出的结论是:“为了生存下去,我们在那个时候可以找到的唯一可能的策略是,应该从老区域搬到新区域去。”
  令人泄气的是,在林德的暴胀理论中,一个典型宇宙泡的尺度非常之大。根据他的计算,离我们最近的宇宙泡也许都非常非常遥远,要是以光年为单位,这段距离必须用:后面跟上几百万个零来表示。这个数字太大了,想把它全部写出来就会需要关于它自己的一整本百科全书!即使以接近光的速度,到达另一个宇宙泡也要花费差不多同样多的年数,除非运气特别好,即我们正好处在我们自己这个宇宙泡的边缘。林德指出,这甚至还要假定在如此漫长的时间中,我们的领域会以某种可预见的方式不断地膨胀下去。一旦今天左右我们的物质和辐射变得无限稀薄,现在完全不引人注意的最微不足道的物理效应最终可能会决定宇宙膨胀的方式。例如,宇宙中可能一直存在着某种极其微弱的暴胀力,它今天完全被物质的引力作用所淹没。但是,如果人类为逃离我们的宇宙泡所需要的时间非啥非常长,它最终总会被察觉到。那种情况下,因为有着充裕的时间,宇宙应会再一次开始暴胀,不过这一次不是采取大爆炸那种疯狂的方式,而是进行得极其缓慢,好像是大爆炸的某种软弱无力的赝品。不过,这种无力的抽泣尽管很微弱,但却会永远地持续下去。虽然宇宙的增长只是以微小的速率在加速,但它在加速这个事实却有着重要的物理效应。这个效应会在泡内生成一个视界,它有点像一个里外颠倒的黑洞,实际效果正像一个陷阶。在那种情况下,任何幸存下来的生物会变得孤立无援,深深地被埋葬在我们的宇宙泡内。这是因为,虽然他们企望尽快地到达泡的边缘,但暴胀泡边缘会更快地后退。因此,林德的计算向我们表明,对于人类或我们的后裔来说,他们的最终命运是如何取决于这么微小的物理效应,而这种效应在表现出它们的宇宙学意义之前,我们实际上根本无法探测到它们。林德的宇宙学在某些方面使人联想到陈旧的稳恒态宇宙理论,它在50年代以及60年代的早期曾一度流行,而至今它仍是用来摆脱宇宙终结的最简单而又最吸引人的学说。在赫尔曼·邦迪(Herman Bopdi)和戈尔德的原始形式中,稳恒态学说假定宇宙在大尺度上是永远保持不变的。因此,宇宙没有开端,也没有终结。随着宇宙的膨胀,新物质不断地创生出来以填补空隙,同时保持总体密度不变。任何一个星系的命运同我在前面几章中所描述的情况相类似:那就是诞生 演化和死亡。但是,一些星系源源不断地从新创生的物质中形成,而新创生物质的补充又是永无止境的。因此,宇宙的总体状况看上去是相同的,在给定的空间范围内有着相同数目的星系,它们由各种年龄的星系混合组成。
  稳恒态宇宙的概念无需解释宇宙最初如何从虚无中诞生,它还把在演化过程中产生的各种各样有趣的现象同宇宙的永恒掺合到一起。事实上,除了这点以外,它保证宇宙将永葆青春,这是因为尽管各别星系会慢慢地死去,但宇宙作为一个整体永远也不会变得老态龙钟。由于新物质自然就提供了能源,因而我们的后裔永远不必因为能源越来越枯竭而到处去发掘可利用的东西。一旦老的星系燃料用完了,居民们就迁往比较年轻的星系,而这个过程可以永无止境地 以同等充沛的精力 多样性和活跃性,一直维持下去直到永远。
  但是,要使这个理论成立,还需要某些必要的物理条件。因为膨胀,每隔几十亿年宇宙的体积便要增大1倍。为了使密度保持不变,在此期间需要创生出大约10的48次方吨的新物质。这个数字看上去很大,但平均说来,这相当于每100年在机舱那么大的空间内只出现1个原子。这种现象我们不大可能会注意到。一个比较严重的问题是关于这个理论中使物质得以创生的那种物理过程的性质。至少我们应该要知道,提供这份额外质量的能量来自何处,而这个能量魔瓶又怎样会取之不竭,用之不尽。这个问题是由弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)和他的同事贾扬特·纳里卡(Javant Narlikar)解决的。他们非常细致地发展了稳恒态学说,这两位学者提出用一种新型的场--创生场--来供应能量,前提条件是这种创生场具有负能。每个质量为N的新物质粒子的出现,其效果是贡献给创生场一份负能量mc的2次方。
  虽然创生场从技术上解决了创生这个难题,但它仍留下许多悬而未决的问题,此外,它似乎还显得有点特别,因为对于这种神秘的场看不出任何其他的表征。更为严重的是,60年代的观测证据开始对这种稳恒态学说提出了挑战。其中最重要的就是发现了宇宙背景热辐射。这种均匀背景很容易用热大爆炸的遗迹来加以解释,但在稳恒态模型中要作出令人信服的解释却很难。还有,星系和射电星系的深空巡天结果明确无疑地表明,在大尺度上宇宙是在演化的。当这些证据变得确凿无疑时,霍伊尔和他的同事便放弃了稳恒态学说,不过有的时候,还会有人把它重新提出来。
  除物理学的和观测上的问题外,稳恒态学说还遇到一些奇妙的哲学上的困难。例如,假如我们的后裔确实有无限的时间和能源任凭他们支配,他们的技术发展也就不会有明显的限制。他们应会在宇宙中自由地传播开来,从而控制越来越大的空间体积。因此在非常遥远的未来,大部分宇宙基本上都已实现技术化。但我们的前提是宇宙大尺度性质应该不随时间而变化,所以稳恒态这种假定不得不使我们得出这样的结论:我们今天所见到的宇宙已经实现了技术化。因为宇宙中的物理条件总体上对所有的时期都是相同的,智慧生物在所有的时期必定都会出现。而且,因为这种事态永远存在,某些人类社会应该在不同的地方已经生存了任意长的时间,而且它们将会扩展开去占领任意大的空间体积并使之技术化,其中也包括占领宇宙中我们所在的那部分区域。即使假定智慧生物没有向宇宙移民的意愿也无法回避这个结论。只要有一个这样的社会,即使它出现的时间不长,上述结论都会有效。这难题的另一种情况是,在一个无限宇宙中,即使它只有非常小的可能性,任何事件也必定会在某个时候出现,并会一次又一次无限地出现。按照这个明确结论的逻辑,稳恒态学说便预言宇宙的种种过程与宇宙居民的技术活动是同一的。事实上,我们所称的大自然就是某种超级生物或超级生物社会的活动。这看上去好像是柏拉图的造物主(在已设定的一些物理定律的范围内操纵一切的一个神)的某种翻版,而且有趣的是霍伊尔在他以后提出的一些宇宙理论中,直言不讳地鼓吹这样一类超级生物。
  在任何有关宇宙末日的讨论中,我们都面临要达到什么目的的问题。我已经婉转地提到过一个事实,即一个走向死亡的宇宙前景使伯特兰·罗素确信,生存最终是徒劳无益的。近年来,这种观点得到温伯格的共鸣,集中表现于他的著作《最初三分钟》中那赤裸裸的结论:“看来对宇宙理解得越多,好像就越感到索然无味。”我一直主张对宇宙慢热寂说最初的担忧恐怕是过分了,甚至也许是错误的,虽然由大危机引起的突然灭绝仍然有可能发生。我已大胆地推测过那些超级生物的活动,使它们在体形和智能上能达到令人不可思议的目标以对付他们的各种遭遇。我也简单地探索了无限思维认识的可能性,哪怕宇宙是有限的。
  但是,这些可作为代用品的演化图象能够减轻我们的不安情绪吗?我的一位朋友曾发表这样的意见:他对听到的关于天国的内容没有多大的兴趣。他觉得要是前景是永远生活在某种极端平衡状态之中,那是一点也没有吸引力的。快一点结束生命,把一切的一切都彻底了结,这要比面临着毫无趣味地永远活下去更好些。如果永垂不朽只是限于永远翻来覆去的老一套思维和经历,那么这看来确实是索然无味的。另一方面,如果永垂不朽与进步联系在一起,那么我们可以憧憬那种永远变化的新颖生活状态,永无止境地学习或者做某种新的振奋人心的事情。但问题在于,这又为了什么?当人类着手一项有目的计划时,他们心中是有既定目标的。如果这个目标没有达到,计划就宣告失败(虽然经验也许未必毫无价值。)另一方面,如果目标达到,这个计划便宣告完成,然后活动也将停止。在一项永远完不成的计划中能有真正的目标吗?如果生存本身就是向一个永远达不到的目的地的一场永无止境的旅行的话,那么这种生存有意义吗?
  要是宇宙有一个目标,并且它达到了那个目标,那么宇宙一定会寿终正寝,因为它的继续存在既没有理由也毫无意义。相反,如果宇宙会永远存在下去,那么不难想象,对宇宙来说根本不会有任何最终的目标。这样,宇宙的死亡也许正是为宇宙的成功所必须付出的代价。因此我们只能希望在宇宙的最后三分钟结束之前,它的目标也许会被我们的后裔所认识。
                     傅承启 译
                     赵君亮 校
     (选自《宇宙的最后三分钟》,上海科学技术出版社1996年版)
  


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