宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第1节

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第1节：一、时间荒漠


　　第一章　时间零点

　　一、时间荒漠　

　　按照大爆炸宇宙学理论，宇宙起源于一个〃奇点〃。所谓〃奇点〃，实际上是一个数学上的描述，这个〃奇点〃的特征就是体积无限小，质量无限大，密度无限大，时空曲率无限大。突然有一天，这个〃奇点〃发生了改变，变得不再是〃奇点〃，而是产生了时间和空间的结构，在这个时间和空间的结构上，宇宙开始创生。物理学家们形象地称之为〃大爆炸〃，这就是所谓〃大爆炸宇宙学〃的起源。　

　　实际上，上面这些看起来很玄妙、超越我们想象能力的描述，不过是物理学家和数学家用以描述宇宙最初状态的一种方式。　

　　根据爱因斯坦的广义相对论，宇宙不是静止的，而是膨胀的，或者是收缩的。后来的物理学家和天文学家经过天文观测注意到，在很大的尺度上，各种星系都在离我们远去。这不但印证了爱因斯坦的理论，而且说明宇宙在膨胀。既然它在膨胀，那么如果往回想，过去的宇宙一定比现在小；如果继续推算回去，宇宙在过去的某一个时间，一定是从一个点开始的。物理学家就用我们上面提到的〃奇点〃来形容这个点。物理学家和天文学家甚至根据宇宙膨胀的速度计算出这个点开始膨胀的时间大约在140亿年前。　

　　那么，人们一定会问，在140亿年以前宇宙是什么样子的呢？其实，这个问题不用回答。因为只要奇点存在，时间和空间就不存在。这也许很让人费解，但这的确是事实。你不用费尽心思去思考这个所谓的〃点〃是怎么存在于虚无中的，事实上，所谓的〃奇点〃就是虚无。没有时间，没有空间，什么都没有。　

　　我们不妨借用我国古代思想家老子《道德经》中的话〃道生一，一生二，二生三，三生万物〃、〃有物混成，先天地生……吾不知其名，故强字之曰道〃来解释，老子认为宇宙是从〃道〃演化来的，而〃道〃就是〃无〃。哲学从来都和物理学密不可分，这个哲学上的虚无，在物理学的描述中，就是我们说的〃奇点〃。看起来，早在两千多年前，中国古代就有了洞悉宇宙秘密的思想家，甚至在《易经》中也认为〃太极〃（又称为气、道或无）是世界的本原。　

　　好了，〃奇点〃就是虚无。既然是虚无，实际上使用〃点〃这个字眼就已经没有什么意义了。你可以认为这个虚无是不存在的，也可以认为是无限大的。在这里，没有时间的概念，我们不能说虚无存在了多长时间，而只能说时间的历史只有140亿年，我们的宇宙只存在了140亿年。　

　　在140亿年前，宇宙是一个永恒的、连绵的、无始无终的虚无，是一片时间和空间的荒漠。　


第2节：二、时间零点（1）


　　二、时间零点　

　　1．量子涨落　

　　宇宙是从一片时间和空间的虚无中创生的，那么它是如何从虚无中创生的呢？我们首先要提到的是一个物理学名词〃量子涨落〃。　

　　宇宙学是一门综合性学科。而宇宙创生就直接涉及最前沿的物理学…相对论、量子力学和自组织理论。相对论告诉我们宇宙的膨胀特性，而量子力学则告诉我们宇宙是如何开始的。　

　　量子力学最重要的一个原理就是〃测不准原理〃，它引申的一个结论就是：任何物质的参数都不能被精确地测量。在我们所处的宏观世界中，任何东西都有它的参数。例如我们提及一把尺子，总是说类似下面这样的话：这把尺子在某年某月某日某时刻的长度是1米，宽度是2厘米，厚度是1毫米。这个测量在宏观世界是当然的结论，但是，一旦我们要非常精确地测定这把尺子的长度时，量子力学却告诉我们：我们永远无法在微观尺度上更精确地测定这把尺子的长度。例如在万分之一个原子长度的精确度内，我们永远不能确切地知道这把尺子到底精确到万分之几个原子长度。这并非是由于测量工具不够先进造成的，而是量子力学阐述的一个物理规律。无论人类测量长度的工具精确到何种程度，都无法在万分之一个原子尺度上精确确定这把尺子的长度。　

　　如果我们换个角度思考这个问题，这把不能被精确测量长度的尺子也可以被认为是长度可以改变的。这个想法很奇怪，但这却是量子力学最重要的描述方法，就是几率描述。当我们不能精确确定它到底精确到万分之几个原子的长度时，我们就只能用几率来描述，例如说它有三分之一的几率精确到万分之二个原子长度。几率通常是数学上的一种说法，但是在物理学规律中，这把尺子的不确定存在方式却是一个真实的事实。　

　　当这把尺子的长度作万分之一原子长度的变化时，我们就可以说这把尺子的长度在进行量子涨落。　

　　量子涨落绝不是一个无聊的数学或者文字游戏，它是一种真实客观的存在，已经有很多实验和技术在证明和使用，它是可以计算和测量的。例如，当今科技前沿的量子计算机就是量子涨落规律的一个应用。原子的状态由于量子效应而呈现不同的情况，当这种情况可以控制和测量时，原子就可以由量子涨落标记为0和1两个状态，涨是0而落是1。有了0和1，我们就有可能在原子尺度内建造一台计算机，因为任何一台计算机记录数据的最原始状态就是0和1。我们现在使用的计算机是用电压的高和低来标记0和1的状态，而量子计算机则使用量子涨落。　

　　现在，我们回到宇宙最开始的时间和空间荒漠状态。荒漠最重要的特征就是〃无〃，〃无〃是一种绝对的状态，而量子力学拒绝任何绝对的状态。换句话说，〃无〃是一种不可能稳定存在，甚至是一种不存在的状态。正如一把尺子无法保持稳定的状态一样，虚无也不能保持稳定。在〃无〃上面，量子涨落开始发挥它的作用，它打破了荒无边际的沉默。　

第3节：二、时间零点（2）


　　我们不知道，也无法想象是哪一次、哪一个量子涨落最终影响了宇宙〃奇点〃的状态，将它完全解放出来。但是我们知道，在140亿年前的某一刻，奇点和它的虚无崩溃了，宇宙从虚无中创生了，简单地说，宇宙〃无中生有〃了。　

　　2．自组织　

　　仅仅依靠量子涨落并不能形成奇点爆炸。量子涨落无时无刻不在进行，但是决定宇宙形成的那次量子涨落却在恰当的时间赶上了恰当的自组织行为。可以说，是量子涨落和自组织这两个我们仅仅发现不过百年的物理学规律，揭示了宇宙创生的秘密。　

　　有一句很经典的描述自组织的话：〃亚平宁半岛上一只蝴蝶翅膀的扇动，可能导致遥远太平洋深处的一场风暴。〃　自组织最初研究的是简单形态耗散结构的自组织现象。所谓简单形态耗散结构，就是由大量相同或类似的组成粒子均匀分布构成的系统，例如一团空气、一瓶清水都可以认为是简单形态耗散结构。　

　　关于简单形态耗散结构的自组织现象有一个著名的实验，称为〃伯纳对流花样〃。把盛于一平底容器中的液体从底部均匀加热，温度较小时没有对流，热量仅靠传导方式传递。当温度增加到某一特定值时，对流突然发生了，并形成很有规则的对流花样。有趣的是，从上往下俯视时，这些花样很多呈现规则的正六角形，这就是〃伯纳对流花样〃。在这种对流中，中心液体往上流，边缘液体往下流，呈现一种很有规则秩序的动态结构。对流开始前是一种稳定态，温度达到特定值时，原稳定态丧失稳定性，从而出现新条件下的新稳定态，这个失稳点叫作临界点。从分子角度看，临界点之前的稳定态相对于临界点之后的稳定态是混乱无序的，在临界点上发生有序程度的突变，这种突变是自发进行的，因此称为自组织现象。　

　　伯纳实验证明，自然界本身就有自我组织的能力。一个耗散结构，只靠与环境交换物质和能量，并无谁来发号施令，系统就能自我组织和自我完善，进化成更加有序的新系统。　

　　依靠自组织，宇宙从一片荒漠中开始形成。构成宇宙最初的基本粒子…光子、电子、轻子和由它们组成的原子…就在这一时刻开始出现。这些基本粒子再经过自组织形成构成宇宙最基本的那些元素。　

　　但是这里有一个问题，我们知道，物理学有一个最基本的原理〃能量守恒定律〃，这个原理告诉我们，没有任何能量形式，包括物质形式（在物理学中，物质形式也是能量形式的一种存在方式）能够凭空产生。能量只能转化，不能凭空产生。因此，物理学家预言，为了能量平衡，宇宙在创生之初，当能量出现时，一定有大小相同、性质相反的负能量出现。正能量出现多少，就一定存在多少负能量。同样，能量构成物质基本粒子时，也一定有相对的负粒子出现。这就是说，每存在一个正电子，一定相对存在一个负电子，每存在一个正质子，一定存在一个相对的反质子，这些正负能量和正反粒子维持了能量守恒的神圣不可侵犯。　


第4节：二、时间零点（3）


　　3．时间之箭　

　　热力学认为，任何时间上向前的过程都是不可逆的，任何现象都是转瞬即逝的。热力学把时间与有序性和无序性这样的概念联系起来，时间的流动就变得显而易见。这是因为在任何孤立系统中都有一种毫不留情的倾向，使得有序程度降低而无序程度增加。例如：往一杯清水中加一点牛奶，奶分子就会和水分子混合在一起并且扩散，最后，牛奶和水的分布就会完全一样，整个液体呈现乳白色的状态。在这个最后状态中，分子的无序性达到了最大值。热力学有个专门描述这种无序性的术语，称为〃熵〃。无序性增加的过程就是一个熵增加的过程，当牛奶和水混合均匀后，这个系统的熵达到最大值，这时液体处于一个平衡状态，奶分子和水分子在混合物中所有各处都是均匀的，不再具有任何进一步混合的能力。　

　　根据常识，我们从来没有见过相反的过程，就是牛奶和水的乳白色混合溶液自发地分成白色的奶和无色的水。这就是热力学描述的时间之箭，它在热力学中称为〃热力学第二定律〃。这个定律说，所有的物理过程都是不可逆的，因为一部分能量总是作为热散失掉了。　

　　如果过于死板地理解这个定律，我们就会注意到下面这个推论：热力学排除了有序结构的自然出现。这就意味着宇宙的整个进程将必然走向无序的混沌，所有星系和星球的最终结果都是走向分散，整个宇宙将沿着一条不归的道路走向死亡，甚至我们所描述的宇宙创生都是不可能的。　

　　这显然是不正确的。事实上，热力学理论正把握着有序生命产生的关键。我们不妨设想一台正在运行的蒸汽机，当蒸汽机运转时，能量转化为所有组成部分的分子运动，这一过程是极端复杂的，但是热力学并不涉及原子和分子，它把注意力直接集中在一些与感觉有关的宏观量上，例如体积、温度和压力。蒸汽机的工作就是把热转化成功，水在锅炉中被加热成为蒸汽，蒸汽冲撞活塞，活塞做功推动轮子的转动。同样，我们也可以通过做功产生热量，当你摩擦双手时，就是在做功产生热量，这说明热和功不过是能量的两种不同形式。这也就是我们在前面所说的能量守恒定律，它在热力学中又被称为〃热力学第一定律〃。　

　　如果你在一件事情发生前能拟订出一份这个事件所有参与的能量（包括物质）的清单的话，在事件的前后总能量总是相等的。唯一的区别是：开始时的能量的一部分或者全部，必定会在事件后作为热量出现。这是因为总有一些能量在某种物理过程中被〃烧掉〃了，例如克服摩擦和空气阻力。任何一个能量转化的过程中，都有因为产生热而出现的能量耗散。虽然热和功是平等的，但是耗散使得它们之间产生了一个十分重要的不对称性。这个现象就是使〃热力学第二定律〃出现的最早推动力。　

第5节：二、时间零点（4）


　　第二定律的含义是：所有的能量转化都是不可逆的。在蒸汽机中曲轴的运动产生了热量，这些热量就是我们说的从有序状态变为无序状态的分子无规则的随机运动。这种无规则运动的能量又有一部分会被空气分子带走，这最终将导致热损耗带来的不可避免的能量损耗。所以我们也就可以从另一个角度描述第二定律：热只能由较热的地方流向较冷的地方，而不能通过把热量从较冷的地方转移到较热的地方而做功。　

　　4．熵与热寂　

　　于是，我们前面提到的〃熵〃的概念出现了，它是1865年由德国物理学家克劳修斯引入的，来源于两个希腊字