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日志

 
 

宇宙的生死定律  

2017-08-11 18:29:43|  分类: 奇幻生灵 |  标签: |举报 |字号 订阅

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熵增与宇宙生命(王晋康)


作者:王晋康

一位科学家说,科学的探索可以分为“合理的假设”和“轻狂的猜想”,而本文的内容比“轻狂的猜想”还要更狂一些。读者阅读时全当是做一次智力体操,不可当成真的科学假说。先打一个预防针,下面开始正题。
罗素说,有史以来,科学所做的最可怕最阴郁的预言,就是热力学第二定律(熵增定律)所预言的宇宙末日。宇宙在不可违抗地走向热平衡,走向无序,走向寂灭,人类所创造的辉煌业绩注定要在大死亡中归于灭绝,人类成就的整座殿堂将不可避免地被埋葬在宇宙的碎片之下。这个理论是如此无可争辩,以至于没有哪一种反对它的哲学可望站住脚。
这个可怕的定律实际得之于最普通的物理现象:任何比环境温度高的物体,都会把热量向低温环境散发,直到系统内温度平衡。如果没有外界能流的引入,绝不会出现热量重新富集的反向过程。所以,所有的恒星终将熄灭,宇宙中不再有能量的流动,因而不可避免地走向无序(信息流与能量流密不可分,这其实是电脑发热的最本质的解释)。
从上中学物理课时我就领悟到了熵增的威力。它太雄辩太明晰了,任谁也无法用逻辑来推翻它的可怕预言。不过,这个定律总是给人一种不舒服的感觉。因为,除它之外的所有物理学定律都能在时间轴上反演,物理学家艾米·诺特尔曾指出,能量之所以守恒,其实质原因就是因为物理定律关于时间对称。但熵增不可逆定律在时间对称性上撕了一个很大的缺口。尤其令人不安的是,把熵增定律应用于我们这个至今存在的宇宙,就必然得出一个结论:它是从一个很特殊的、高度负熵的状态下开始的。这个特殊的负熵状态从哪儿来?只有一个说得通的来源:上帝。
物理学家们当然不愿让上帝复辟。但他们都信仰真理的普适性,如果不得不承认我们的世界来源于一个非常特殊非常偶然的状态,那和相信上帝有什么不同呢。
后来我从一些课外读物上知道了自组织定律,那时的中学物理不讲它的,我至今不明白,如此重要的定律为什么竟然上不了中学课本。自组织的一个典型例证是别洛索夫――扎鲍京斯基反应,几种化学溶液掺混之后就会自动产生非常美丽的、周期性变化的花纹(但必须保持溶液的倾倒)。从酒瓶里往外倒啤酒时的咕嘟声也是一种自组织现象。这些小杂耍似的发现之所以重要,是因为这些“组织化”完全是由内部原因产生,并没有一个外来的设计者或管理者。
以上只是自组织现象的很小的范例,其实,这种现象渗透到宇宙的每一个角落每一个时刻,自组织定律是与熵增定律同等重要的两大定律之一,一个管宇宙的死,一个管宇宙的生。
从宇宙肇始,自组织就登台了。宇宙爆炸,变成一锅高温的均匀的粒子汤。我们不知道在大爆炸“最早的瞬间”所产生的“最原始的粒子”是什么,或者说,根本不存在什么最基本的粒子,在能量向粒子转换的边界,可能是能量和物质的共存,是一种模糊状态。但为了叙述方便起见,我们就称它为“原始粒子”吧。原始粒子非常均匀,按照熵增定律,它应该在宇宙向外膨胀是变得稀薄而更加均匀,绝不会产生物质富集的现象。但是,当熵增开始耀武扬威时,宇宙大舞台上的又一个主角——力——同时出场了。我们已经知道宇宙中有四种力:强力,弱力,电磁力和引力,比较公认的说法是,四种力其实只是一种,在大爆炸的极端状态它们会合而为一,在更深的层面应该表现为其它力。不过力的具体组成与本文中的观点并无关系,反正有力就行了。力使原始粒子互相结合,经过尚未知晓的某种粒子层面,再结合成六种夸克,再结合成轻子强子介子,再结合为丰度为3:1的氢氦原子。在这些过程中,强力、弱力和电磁力都起了作用,但引力尚未走上前台。
物理学家已经能用公式精确地描述这些粒子的生成过程,但好像没见到谁指出,它们实际是熵增的逆过程。因为,按照爱因斯坦的质能公式,任何物质微粒的形成都是能量的富集和组织化,与“热平衡”和“无序”相逆。也就是说,在宇宙大爆炸的最初的“滴答”内,熵增和熵减就已经开始同时存在、并行不悖了。
在宇观层面,轮上引力出场了。若按照熵增定律,早期宇宙中的氢氦原子只会日渐混合均匀,并在膨胀过程中变得稀薄,而不会出现质量富集的趋势。但引力却与熵增定律唱对台戏,当原子汤因量子效应出现偶然的涨落时,引力会使其产生雪崩效应,进而聚集成星云,星云中产生星体,星体生长,直到引发核反应,于是,在局部地区的“高能态”产生了,并造就了此区域的能量流(这些能量实际来源于微观层面的能量富集化)。请注意,从宇观上说,宇宙仍保持熵增的方向,宇观的熵增与小区域的熵减并行不悖。
星系小系统内也同样有熵增过程,恒星的热量向空间传播,向热平衡的方向前进;但在另外的层面,熵减过程也在不停息地进行。行星从星云中诞生,行星上产生了岩石圈、大气、河流、季风、泉水、矿藏,这些都是组织化的过程,是对无序的反抗。这种有序化、组织化进程的顶峰,便是生命的产生:DNA团块、单细胞生物、多细胞生物、植物和动物,一直到最精巧的组织化结构——人类。像熵增一样,自组织也是一个无尽的不可违抗的过程,它从宇宙爆炸开始,并一直延续到宇宙末日。而它得以进行的因素是力。不同的力在不同的层面上起作用,比如,原始粒子的生成是强力和弱力的功劳;在我们处身其中的环境里是电磁力在变戏法,它造就了生命结构和金木水火土;而在宇观范围内是引力在起作用,它造就了星体和黑洞。天行者卢克的老师尤达大师曾把“力”作为对抗黑暗的唯一力量,他真是一个伟大的科学家,道出了大自然的本质。
其实,“自组织”有一个更恰当的名称:生命化。这儿的“生命”一词是广义的。宇宙大爆炸的浓汤里生出来无数一模一样的粒子(夸克、重子、轻子等),然后是原子“自发的复制”,再生出模样相同的星云和星体;云朵中生出一模一样的六角形的雪花;在金伯利岩脉中生出结构相同的钻石……这些全都是自然界的“生育”啊。有人说,生物生命何等精巧何等神秘,现在把“生命化”拿来定义夸克、强子、原子、星体等“非生命体”的生成,未免不伦不类。不,这个定义的推广绝不牵强,它们的本质是一致的。生物生命从何而来?首先是原始海洋中的各种原子因电磁力的作用而发生自组织,生成有机物,有机物的自组织又生成第一个能自我复制的DNA或RNA……即使今天生物的繁衍,比如DNA双股的分解和复制,从物理层面上说仍是在电磁力作用下的自组织过程。
当然,生物与非生物还是有分别的,生物生命是高等的自组织,需要一个复杂的模板,而这种模板来之于自然界长期演化中一个难得的机缘。所以我们可以相当武断地肯定,人马座的外星人与我们绝不会相同,因为由“机缘”得出的生物模板不可能雷同;而人马座的雪花却必然是同样的六角,因为雪花的“生育”不需要特殊的模板。还有一点不同是,生物生命中的自组织只和电磁力有关,而粒子、星体等的自组织与强力、弱力、电磁力和引力有关。
不管怎么说,它们的本质是一样的,都是与熵增相逆的、由“力”引发的自组织。宇宙的生命化贯串宇宙的始终,而我们平常所说的“生命”只不过是宇宙生命的一根分枝一个阶段罢了。
自打宇宙肇始,熵增和生命化两个相逆的过程就同时存在,并行不悖,互相缠绕,多层渗透。一边是热平衡、均匀化、无序;一边是能量和质量富集、组织化或有序化。而两者的综合则是一个零熵的世界。
这么一来,物理学家也可以安心了。原来,我们的宇宙并不是肇始于一个很特殊的负熵状态,而是非常普通的一个零熵的“点”。由于量子世界的偶然涨落,这个点爆炸了,从空无一物中产生了能量和负能量,正物质与反物质,有序与无序,熵增与生命化。宇宙是从零熵开始,以零熵延续,也将以零熵结束。在这种理论结构中,所有物理定律相对于时间轴都是可以反演的,物理学家的心腹之患,那个不可逆的时间之箭,在这儿被轻松化解了。
不过,这会儿说出这个结论未免早了一点儿――我们还没考虑宇宙的结局呢。自打宇宙爆炸假说得到基本证实(最主要的证据是星系红移和宇宙背景幅射温度),宇宙有灭亡也就没人怀疑了,有生就有死,有死就有生,尽管对它是亡于无限的膨胀还是亡于向内塌缩还在争论。那么,在宇宙灭亡的时刻,熵增与生命化两种力量又是如何角力呢。
我们先考虑那种向内塌缩的结局,整个宇宙将塌缩成一个超级黑洞,一个死亡之洞。黑洞是个绝顶贪婪的家伙,吃骨头不吐渣,所有进入黑洞的物质都再无出头之日。黑洞无毛,黑洞是绝对的高熵(熵值与黑洞表面积成正比)。“熵增”在这儿达到了极致。那么,在这个大过程中,哪是逆向而行的宇宙生命化?原来它也并存在这个死亡之洞里。恰恰在这里,宇宙的质量(能量)富集化、或曰组织化过程也达到了极致,因而为下一次大爆发作好了准备。黑洞是宇宙的终结,但也是生命化的巅峰。有人可能认为这个说法太拗口,黑洞也是宇宙生命化的一部分?对,是的。它是由引力所造成的极端的自组织,也是与熵增过程背道而驰的。
关于黑洞的未来尚无定论,也许它会逐渐蒸发,通过量子效应把能量还给环境,最终变回一个普通的“空间点”;也许它会通过蛀洞与其它宇宙相连,在那儿表现为一个白洞;也许它会在塌缩的某一时刻反弹,产生大爆炸(关于大爆炸的前景毕竟有一个现成的实证――我们的宇宙就肯定产生于大爆炸)。不管是哪种结局,反正它所在的宇宙会保持一个总体的零熵状态。
不过科学家们说,宇宙不一定亡于向内塌缩,更可能亡于“无限膨胀”。“零熵”机制并不排除这种可能,只是要求:在建造“宇宙无限膨胀”的构架时,必须仍有熵增和生命化两个相逆的过程,让熵的总和继续为零,否则这个理论就是错的。这就像是把宇宙看成一个多级齿轮箱,我们可以进行力的计算,一步步算出其输出扭矩和速度;也可以根本不管其内部结构,单用能量守恒定律就能验算其输出值是否正确。
目光敏锐的读者会发现,在本文中虽然讲述了“熵增”和“生命化”两个相逆的过程,但并未做量化的论述,怎么就贸然得出“熵的总和为零”这个结论?这个质疑很对。笔者是个科幻作家而不是科学家,科幻作家可以天马行空,凭着直觉,省去中间过程而直接得出结论。至于这个结论是否正确,交给有兴趣的科学家去论证好了。造物主似乎偏爱守恒,有能量守恒,质量守恒,动量守恒,动量矩守恒,正负电荷守恒,CPT守恒,如此等等。过去的理论中,只有熵不守恒,正反物质不守恒和宇称不守恒。现在,咱们试着让其中一个浪子改邪归正了,这比较符合人们的直觉,符合人们的感情。至于其它两个浪子能否回头,且拭目以待吧(已经有科学家怀疑,在更深的层面里宇称是守恒的)。
正篇结束了,再说点题外话。我对中国的太极图非常欣赏,非常信服,我觉得它简直是宇宙的河图洛书。一个简单的“零边界”的黑白两体图形包含了极为丰富的思想:守恒、转化、对立统一,等等。如果某一天“零熵”的大厦得以建成,我会把太极图拿去钉在大厦门楣上作为徽章。韩国人太精了,怎么就想到把咱们的太极八卦拿去做国旗图案?这可是东方哲学的精髓呀。简直是对中国商标的“恶意抢注”嘛,我真希望有一天咱们去讨回公道。
再说一句题外话:“宇宙生命化过程将贯串宇宙的始终”这个观点并不意味着人类文明可以永生,那是不同层面的东西。很对不起,我让偏爱乐观主义的人失望了。
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