新物理學思考 (3 ) 衰變有律

新物理學思考 (3 ) - 衰變有律

作者: 秦時月

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

現代科學是如此之發達，它幾乎進入了一切領域，有人稱它為第一推動力。對於科學的結論，盡管它可能會錯，人們還是會無條件的接受它(專業人員除外)。這很正常，因為從一個較長的時間段來考查，科學是可靠的，它可以修正自己的錯誤，發現自然的原理，探索自然的奧秘。

從純自然的角度，現代新物理學的發展，已經可以對宇宙從始至終的輪廓有一個描述。首先讓我們從純自然的角度看看科學對宇宙終結有什麽見解。

宇宙學家愛德華·哈裏森描述了宇宙死亡的一種悲慘結局，他說：

“所有的恒星將會開始象即將燃盡的蠟燭一樣暗淡下去，然後一個個的熄滅。在空間的深處，那些宏偉的天體城邦，那些星係，將滿載著多少時代的曆史記錄緩緩死去。在成百億年的歲月裏，宇宙會越來越黑暗。偶爾會有幾點光亮劃破宇宙的夜幕，陣陣短促的天體活動使注定要變為星係墳場的宇宙得以苟延殘喘。”

這個科學預言最終的宇宙會變成一個“冰場”，建立在宇宙一直膨脹的假設上。這個結局令許多科學家很沮喪。然而，科學家還預言了宇宙的另外一種結局，那就是它最終變為“火場”而“大崩塌”。這個科學預言是這樣說的：

宇宙現在在不斷膨脹，其膨脹速率穩步降低。有一天宇宙的膨脹會停止，進而轉為收縮。其收縮運動是膨脹階段的時間映象。這種宇宙收縮會越來越快，各星係會相互不斷靠近。當宇宙縮至現有大小的1%時，收縮效應會使宇宙溫度高高到水的沸點，地球將變得無法居住。很快星係間的界線模糊了，星係彼此融合了。宇宙進一步收縮，溫度進一步升高，然後宇宙變成了火爐。恒星開始沸騰，然後爆炸。

宇宙中的各個事件進一步加快步伐， 所有的結構消散了，原子也分崩離析了。原子核本身被巨大的高溫擊成碎片。事件的時間尺度變小到不可思議的程度，在幾微秒中，宇宙的收縮變成了失控的向內“爆炸”。終於宇宙“大崩塌”了。很快，物質沒有了，空間沒有了，連時間也沒有了。宇宙終結了。

當然，並非所有的物理學家都相信宇宙會這樣轟轟烈烈的死去。他們還有其他關於宇宙終結的預言。但有一點是共同的，那就是宇宙會“死去”！

有人可能會說，宇宙要死亡是千萬億年後的事，現在管它實無意義。但事情可能並不是這樣，因為數年前當科學家們談論宇宙死亡時，確是以為在講千萬億年後的事。然而近幾年來這個數字卻急劇地下降到了數億年，誰知道該數字再會降到多少年呢。最近，霍金的一項科學預言著實驚人，他認為人類可能熬不過下一個千年。他的預言盡管與宇宙終結可能沒有關係，但還是令人心驚膽顫。

或許有人可能會問宇宙的結局為什麽會這樣呢？難道宇宙非得“死去”嗎？對這個問題的答案是肯定的：科學定律告訴人們現在的宇宙是鐵定要死的，聖經也告訴人們現在的宇宙是鐵定要死的。不過科學的結論是我們沒有盼望，而聖經卻應許會有一個“新天新地”。

那麽科學與聖經到底是怎麽說的？這就是我們下麵要敘述的事情。

首先我們要談的是熵增原理，即熱力學第二定律。現代物理學家普遍公認熵增原理是宇宙的基本定律，它左右著我們這個宇宙的時間箭頭，即熱力學時間箭頭。一個簡單明快的例子可以通俗的說明這個時間箭頭：假設在一個桌子上放著一個精美的玻璃花瓶，由於某種原因這個花瓶掉到了水泥地板上打碎了，我們把花瓶破碎的過程用攝像機攝下來。當其他人再觀看這個錄像片時，他們肯定知道花瓶
的破碎過程發生在花瓶摔下來之前。如果我們看到花瓶的碎片慢慢變成了一個完整的花瓶，我們肯定意識到錄像片在倒放，實際過程不會是這樣。也就是在一個與外界隔離的係統中，自發過程的結果都是使該係統的熵(無序度)增加。著名物理學家霍金就是用類似這樣的例子通俗的闡述熱力學時間箭頭。

正是這個熱力學熵增原理使我們的宇宙無可挽回得向著最大熵的無序態一步步邁進，我們宇宙的秩序正被無情的吞噬著，而這種過程是無可逆轉的。我們被定律迫使承認將來有一天宇宙會達到它的最大熵熱平衡狀態，那時宇宙的溫度均一了，沒有了任何能產生秩序的溫差，宇宙達到了“熱死寂”這個物理學家們談了一百年的東西。另一方麵，我們現在的宇宙顯然沒有達到“熱死寂”的狀況，這迫使我們承認宇宙有一個有限的年齡，有一個起源。近幾十年物理學的大量證據正支持著宇宙有起源的推論，現在幾乎沒有多少物理學家懷疑宇宙有起始的觀點，盡管還有不少“民間業餘科學家”試圖反正愛因斯坦的相對論，想再恢複原有的時間觀念，恢複宇宙無始無終的觀念。

但在自然界中很多地方我們也的確能看到局部熵減少的現象，諸如電廠的運行，人類的生命現象，人類的知識增長，自然界的各種自組織現象，等等都是局部熵減過程。然而所有這些局部熵減都不是真正的熵減，而是以更廣闊的宇宙背景的更大的熵增換來的。這就是幾乎每個物理學家都知道的幽默：在宇宙這個大遊戲中，我們不但沒的賺，還隻有賠。而且，所有的局部熵減都是有一定條件的，不是任意的隨機碰撞可以實現的。有些進化論者，用局部熵減的例證來為生命的隨機起源做辯護。但這是一個詭辯，因為我們前麵看到的局部熵減過程都是有一定條件並受一定規律支配，並非漫無目的的隨機碰撞。

當我們現在為科學的發展津津樂道的時候，為科學能夠指出宇宙的整個走向而歡呼的時候，我們忘記了古老的聖經在古老的年代就為我們宣告了類似與今日現代科學描述的宇宙的走向，而我們的先輩們卻將聖經的宣告斥為荒誕的神話，現代許多的我們仍然重複著先輩們的陳詞。為了人們的覺醒，還是讓我們看看聖經到底是怎麽說的。

聖經創世記開卷第一句話: “起初神創造天地。” 明明白白, 宇宙有開始. 在大衛的詩篇中有: “天地如外衣漸漸舊了.”(詩102:26), 以賽亞書: “因為天必像煙雲消散, 地必如衣服漸漸舊了”, 這清清楚楚地說明宇宙在不斷退化衰敗之中。馬太福音中耶穌說: “天地要廢去 ，我的話卻不能廢去 .”(太24::35)，是在宣告天地有廢去的一天。

實際上這並不是聖經的支言片語，而是與聖經啟示的宇宙觀一脈相成。聖經告訴人們上帝創造了一個美好的世界供人類的始祖居住生活，然而，由於始祖背離了上帝，上帝的審判與咒詛就臨到了人類與自然界，從而世界就一步步衰敗下來，直至死亡。這裏我們如果除去信仰的深層描述，隻關注自然界的曆史輪廓，則聖經的宣告與科學的理論驚人相似。

然而，我們有個問題：聖經宣告神曾經創造了一個美好的世界，這給我們暗示宇宙形成期間必有有序的輸入，否則，何以有現在的有序及衰敗？

這裏，我們要注意。當聖經宣告上帝創造了宇宙時，聖經沒有告訴我們上帝是怎樣創造的。但我們知道：“(上帝)用智慧建立世界, 用聰明鋪張穹蒼”(耶10:12)，那麽宇宙被創造時有序的輸入必是一個奇妙的過程。現在的問題是，科學對這一問題有什麽描述嗎(請注意，無論什麽地方當我談科學的發現時，並不代表我認為上帝創造宇宙時就用的那種方法，大家務必不要搞混)？

宇宙如何進入低熵狀態這個謎牽動了好代物理學家和宇宙學家的想象力。統計熱力學的先驅路德維西·波爾茲曼認為盲目的機緣使宇宙進入了低熵狀態。他認為，宇宙的有序狀態是由一些對平衡態的偏離之間的協作造成的。這些偏離十分罕見，罕見得無法想象。他立論的基礎是這樣：即使在平衡態，氣體分子也不是靜止的，而是不停地隨機運動，互相碰撞。純粹的巧合會造成混沌的大洋裏一小塊有序的飛地，而偏離平衡態可以使有序的機率增加。隻要時間尺度足夠長，遲早會出現有序的星係。然而，這個時間尺度會大得不可想象(至少要10的(10的80次方)次方年)。不要以為我是筆誤把10的80次方年寫成了10的(10的80次方)次方年。然而，他認為隻要宇宙年齡無限長，那就是可實現的。這是一個狡辯，很多現在的人還在應用類似的狡辯在其他起源的問題上，盡管不是對宇宙有序的起源而言。

波爾茲曼對宇宙有序的起源的假設現在沒有物理學家會相信。他們提出了不少別的假設。一個假設是“理所當然論”：宇宙的有序存在是理所當然當然的，否則我們也不能感知它，更不會為它打發驚奇。這種論調等於什麽也沒說，不過現在還有不少人用此來搪塞別人對複雜結構的質詢。除此之外，還有“強人擇理論”，“多宇宙理論”，“混沌理論”，等等。但這些理論都不能給我們有序起源的滿意解釋。然而，一個“引力理論”的出現，卻給人們一線曙光。

嚴格來講，熱力學熵增定律隻適應於孤立係統。在宇宙中要把任何東西從引力場中隔離開來是不可能的。宇宙開創時在劇烈膨脹的宇宙中，宇宙物質物質都受到引力場的影響。有了引力，就開通了通過引力場將有序引入宇宙物質的途徑，從而在宇宙中造成有序。這個過程相當奇妙。

可以設想原初的宇宙物質溫度極高，在引力的作用下，宇宙的劇烈膨脹使宇宙的溫度劇烈下降。不過宇宙中不同物質的溫度則取決於不同物質本身的特性。而氫氣之類的物質的冷卻比其他氣體的冷卻要快的多，從而在宇宙物質中產生了巨大的溫差。由於這個溫差的存在提供了產生有序的高品種能量，同時在宇宙規律的支配下，有序就會產生了。

這似乎使人想到了聖經的描述：起初神創造天地。地(物質)是空虛混沌。神說要有光(熱)就有了光。神看光是好的，就把光(熱)暗(冷)分開了。有了光暗分明的宇宙，有序不就很快造出來了嗎？而科學卻是在曆盡了千辛萬苦後才發覺了這一點。我們知道聖經不是科學教課書，它不提供科學的詳細答案，但它宣告上帝的作為。

至此，問題並沒有完。我們盡管可以把宇宙有序的起源推給引力，但我們還需解釋引力場的有序是怎麽出現的。也就是說，熱力學定律是否既用於物質，又適用於引力？最近對黑洞的研究顯示出某種跡象，熱力學熵增定律適用於引力。然而物理學的兩位大師，史蒂芬·霍金與羅傑·彭羅斯卻對引力場本身是否是低熵產生了截然不同的見解。他們在1994年舉行過一次舉世矚目的關於時空本性的大辯論。不管科學研究的最終結果怎樣，有一點是肯定的，那就是宇宙有序的起源必然非常奇妙，因為造物主用智慧創造天地，不會用漫無目的隨機碰撞來實現自己的旨意。

以上我們比較了聖經的宣告與當前物理學對宇宙的描述，在宇宙從始至終的大概輪廓上，聖經的宣告與科學的描述有驚人的相似。但是我們也不可否認，聖經與科學在描述宇宙年齡等問題上有較大差異，盡管基督徒對宇宙年齡有不同的看法。然而，科學在不斷發展，而科學發展的走向一直朝著聖經的描述邁進。我相信隨著科學對宇宙形成的進一步研究，這種差異會越來越小。不是嗎？宇宙的年齡從千萬億年，變到了幾百億年，一百八十億年，一百五十億年，到最近的一百二十億年，不就是一個很好的例證嗎。現在有人在研究宇宙初期的暴脹，有人在研究宇宙初期的可能光速變化，等等。誰能保證宇宙的年齡預測不會有革命性的劇變呢？

可能有一點是每個人都必須關心的，那就是：科學預言宇宙有終結，而我們沒有任何盼望；聖經宣告宇宙有終結，同時又應許上帝會再創造一個“新天新地”。在這個新天新地裏，不再會有商增，不再會有熱力學第二定律。因為，聖經說：神“要將天地如裏衣更換, 天地就改變了。”(詩102:26). 聖經用“裏衣”更換來描述宇宙本質改變, 不但使其完美得到恢複, 而且, 新宇宙永遠不會再衰敗. 也就是說, 在神所造的“新天新地”裏, 將不再有熱力學第二定律的存在. 正如聖經所說:“我們原知道, 我們這地上的帳棚若拆毀了, 必得神所造, 不是人手所造, 在天上永存的房屋.”(林後5:1).

你想過沒有，你是否能進入這新天新地呢？