宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第2节

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　　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，来源于两个希腊字母，意义分别是〃转移的量〃和〃发生变化的能力〃。熵将第二定律表示得更为明确，将可逆过程与不可逆过程加以区别；熵是这样一个量，它在有耗散的情况下不停地生长，当所有进一步做功的潜力都消耗殆尽时，它就达到了最大值。　

　　〃熵〃无疑是一个很明确的概念，它给了一个明确的时间箭头：熵的增加方向一定与时间的前进方向一致。为了更深入地理解熵的含义，把一些杂乱的、容易引起混淆的因素去掉是明智的。科学家们通常使用一种理想化的情况，把所感兴趣的过程定义为系统，而过程以外任何无关的东西称为系统外界。可以用一个暖瓶来形容一个孤立系统，我们如果只关心暖瓶里面的热水，那么暖瓶里面自然形成的小气候就是一个孤立系统，暖瓶和暖瓶外面的世界就是这个孤立系统的外界。　

　　按照第二定律，在一个孤立系统中自然发生的任何过程，都一定伴随着系统熵的增加。因而熵给所有孤立系统提供了一个时间箭头，当熵达到它的最大值时，孤立系统的时间演化就停止了，该系统就处于它最无序的状态。这时，系统已耗尽了它所有发生变化的能力，它已经达到了热力学平衡。　

　　现在，我们回到我们刚刚萌芽的宇宙。从虚无中创生的宇宙就是一个完全孤立的系统，就像那个暖瓶中的世界，而暖瓶外（如果有外的话）的世界并不在这个孤立系统的考虑范围之内。于是根据热力学的两个定律，我们可以对宇宙这么描述：第一条定律说，宇宙的总能量是守恒的；第二条定律说，宇宙的总熵总是在无情地朝着它的最大值增长。这是一个可怕的推断，整个宇宙的演化就是逐渐退化，最后停止于热力学平衡，此时不会再有任何变化发生。一个完全平衡的宇宙，熵达到最大，不再有任何生命和生机。这就是宇宙的〃热死说〃或者说〃热寂说〃。　

　　5．生机勃勃的宇宙　

　　〃热寂〃是一个非常可怕的景象。但是我们却知道，宇宙似乎并没有按照熵所指引的道路走向死亡，恰恰相反，它不但创生了，而且还在不停地膨胀，没有任何迹象表明它会有一个灰色的结局。这很奇怪，所以我们不得不重新清理一下我们的思路。　

第6节：二、时间零点（5）


　　我们不能否认两件事情：一个是熵增描述的热力学第二定律是经过考验的理论，是自然界至高无上的定律之一，不容怀疑；另一个是宇宙这个孤立系统还在生机勃勃地生长着。那么，一定有一个什么环节我们还没有注意到。　

　　我们再回到那个蒸汽机或者是暖瓶。如果我们让蒸汽机无限缓慢地工作，这样在每个瞬间，系统和外界就会处于热平衡。在这种〃准静态〃的情况下，系统的整体性质不会随着时间而改变，熵会在任何时候都处于一个稳定的最大值，不会改变。这就是所谓的〃平衡态〃。熵最初的定义和计算就是从〃平衡态〃而来，因为只有在这种情况下，熵的具体数值才容易计算。实际上，〃平衡态〃的说法是热力学家们偷的一个懒，事实却是，任何系统都不可能无限缓慢地运动，任何系统也不能完全孤立而不和任何其他外界发生关系。因而熵的最大状态也必须同时把外界的熵计算在内。例如凉了的暖瓶中的水，它一定和暖瓶外的冷空气发生了交换才导致了冷却。热力学家们为了计算简单，总是尽可能避免把暖瓶外面的冷空气带进计算中来，为了不把冷空气引入，只有采用〃平衡态〃这种静态的方式，而事实上这是不可能的。　

　　因此，打破〃平衡态〃才是真正解决问题的办法。〃平衡态〃只能描述热力学演化的终态，即完全静止下来的状态，而不能描述随时间表现的任何过程。计算熵，不能静态地、孤立地计算单个时间瞬间的数值，而是应该和时间结合计算，计算它随时间变化的特性。这就是最终能够解决问题的〃非平衡态热力学〃。　

　　〃非平衡态热力学〃最重要的贡献就是处理系统远离平衡时候的情况。还记得〃伯纳对流花样〃吗？我们设想一个水瓶中的水，如果我们对它不做任何处理，水分子将最终变得无序，但是，如果我们对它加热，水分子们就会开始对流，甚至达到沸腾。初看上去这个现象很奇怪，加热使得熵增加（注意，熵增原理无可否认），但是水分子的运动随机性却减小了，变得更加有序了。这却恰恰给出了〃非平衡态热力学〃的第一个证据：在不可逆的、非平衡态的过程中，有序性的增加方向开始和时间箭头的方向吻合了。　

　　这是一个令人满意的结论。物理学家终于摆脱了熵增必然导致物质无序性增加的怪圈，开始把熵和无序这两样东西彻底分开。熵可以增加，但是物质的无序性却在降低，〃非平衡态〃贡献了这一关键结论的理论基础。　

　　热力学第二定律终于开始能够解释我们的宇宙为何能创生并生机勃勃地发展了…只要远离平衡态，宇宙这个大系统，在大的范围和时间上将会不断发展，平衡态所描述的〃热寂〃终于可以寿终正寝了。　

第7节：三、物质形成（1）


　　三、物质形成　

　　宇宙从虚无中开始，时间和空间真正开始建立。　

　　在我们做下面任何描述之前，我们必须给出一个规则。这个规则就是描述我们现在的宇宙时，我们只能使用现在大家熟悉的数学、物理学、天文学、化学、生物学等等知识。简单地说，就是我们描述一个苹果脱离树枝时，它必然向大地飞去，而不是飞向太空或者别的什么方向，而且更精确地说，它飞向大地的速度越来越快，速度的增加与运行时间成正比。不要小看这个规则，因为很多人都曾问过物理学家：世界为什么是这个样子的呢？物体为什么互相吸引而不是互相远离，而且互相之间的引力大小一定与相互距离的平方成反比，为什么不是3次方或者1。5次方？甚至，为什么我们看到的世界一定是三维的而不是二维的或者四维之类的呢？换句话说，为什么当初那个爆炸产生的宇宙是现在这个样子，而不是其他什么样子。　

　　宗教或者某些哲学说：有一个更高智慧或者更高层次的力量（神或者上帝）创造了这个世界的规则，神让物体相互之间的引力与距离的平方成反比。我们无法也没有证据否认这种说法，就算最好的物理学家也没有证据。我们只能说，从最早的那个爆炸点开始，规则就创立了。这个规则可能是偶然的，因为从虚无中创生的世界，发生什么都不令人惊奇，就像每个人的出生都只有亿万分之一的概率一样，没有什么是不可能发生的。也许有很多种其他可能，例如可能真有这种情况：我们生活在一个引力与距离的立方成反比的世界中。但是，我们熟悉的世界是现在的世界，是存在的并且可以测量的世界，在这个世界中，没有假如。从这个意义上说，物理学家们是一群可怜的家伙，他们毕生都在研究各种规则，却不知道这些规则是从哪里来的。　

　　所以，很多物理学家甚至包括爱因斯坦，在终其一生的物理学研究后，都沮丧地转向神学的研究。我们不能因此嘲笑他们，恰恰相反，转向神学正是他们看透世间万物后的必然归宿。正像一位宗教学者所说：〃当科学家历尽艰辛地到达一个从未有过的高度时，总会发现宗教早已微笑着站在那里了。〃　也许，用宗教来解释这些不能回答的问题，是最简单的办法。　

　　好了，让我们抛开关于宇宙创生初期那些过于艰深和哲学化的讨论，用构成我们世界的现有的规则直观地去看看在宇宙创生初期都发生了什么吧。　

　　1．10…43秒　

　　用现代宇宙学的名词来说，10…43秒这个瞬间一般被称为普朗克时期。普朗克是量子力学的奠基人之一，用以描述最小物质单位的一个量被称为普朗克常数，所以科学家用他的名字命名这个最小最小的宇宙的开始。　

第8节：三、物质形成（2）


　　在普朗克时期，空间刚刚开始形成，可观测宇宙的尺度甚至比原子核还要小得多，它的半径只有10…38厘米，但是这个比原子核还小的空间却包含了构成我们现今所看到的宇宙中的所有的物质。可以想象一下它有多重，它的密度高达每立方厘米1037吨，温度则高达1038℃。在这个小小的空间里，物质显然还没有开始被区分，所有的一切，包括构成你我身体的那些物质，都全部压缩在这个小小的体积之内。没有人能想象得出构成这个小火球的物质是什么。　

　　这个火球在极短的时间内向外膨胀，所以我们就不难想象科学家为什么要称之为〃大爆炸〃。一个小小的、非常热的不知道是什么物质构成的球就是我们现在宇宙的婴儿时期。　

　　今天的宇宙经过140亿年的不断膨胀、冷却，目前可观测的宇宙的范围已经达到150亿光年。全部物质的平均密度只有每立方厘米10…31克，就是说每立方米的空间只能分摊到一个氢原子，和最初相比，这是一个无法想象的差距。　

　　那个微小的东西一旦开始膨胀，就必须遵守膨胀的规则。例如它膨胀采用的方式，膨胀的速度，就是我们所谓的规则。前文曾经说过，我们无法去回答这些规则是从哪里来的，但是我们至少可以来描述一下这些规则。这些简单的规则如此重要，我们就生活在这些简单规则构成的世界中，无法摆脱，并且永远遵守它们。　

　　规则之一：力　

　　在宇宙形成过程中，最重要和最先应该知道的概念是力。　

　　我们之所以认识世界上的任何物体，是因为它和别的物体相互作用。由于力（相互作用）有许多不同的形式，所以这个世界看起来确实很复杂，有诸如弹簧、肌肉、风、膨胀气体、重力、物体接触、磁、电等所施加的力。　

　　但实际上，规则永远是简单的，只要七个音符的简单排列就构成了无数美妙的音乐，宇宙规则同样简单。就我们所知，宇宙中只有四种力，在这四种力的操纵下，构成了我们这个千变万化的宇宙，而其余的力只不过是这四种基本力的不同表现形式罢了。　

　　万有引力　

　　重力是我们第一个体验到的力。当我们还是婴儿时，如果把支持我们的力拿开，重力拉我们向下时，我们就会哭起来。伟大的英国科学家牛顿远在300年前就对重力做了极圆满的描述。同其他三种力比较起来，重力是一种形式简单的力，它的主要特点是：两个物体之间的力正比于它们质量的乘积，而与它们之间的距离的平方成反比。首先我们得注意的是，此力永远是引力。就目前我们所知，还没有方法能产生重力的斥力。其次，物体之间的力的方向是沿连接两物体间的直线方向。这看起来是物体间有作用力存在的一个直截了当的方式，但它不是唯一的方式，如电磁力的取向可以与两作用物体间连线相垂直。此外，重力不随物体的速度或取向而变化，而其他力则不然。重力随距离的平方成反比变化，这一关系与其说与重力不如说与空间性质有关。这个公式只适用于球形物体或与其本身大小比起来离开较远的物体。　

第9节：三、物质形成（3）


　　牛顿定律最令人惊奇的特点是，它表明重力的来源是〃质量〃。我们用〃质量〃这个名词来描述物质在两种完全不同的实验中所显示出的类似性质。它是万有引力的来源，因而也决定物质的重量。　

　　电磁力　我们把电和磁联系起来，因为它们是相同现象的两个部分。两电荷之间的力依其相对速度而变：如果它们彼此是相对静止的话，它们只受静电力；如果它们是在运动，它们彼此就产生磁力作用。初看起来，电磁力和牛顿的万有引力定律非常相像，因为这个力和两电荷之间距离的平方成反比，这个关系一方面是由于空间特性所决定，另一方面是因为此公式仅应用于带电物体远小于其之间距离的情况。如果一个电荷运动，并且经过另一个电荷，那么它所产生的磁力正比于运动速度，其方向垂直于该速度和连结两电荷之间的直线。　

　　电磁力能产生一个很有意思的现象：如果一个电荷被加速，这时会有辐射能以光速放出，从而产生一个电磁辐射源。光、无线电波、红外线和X射线都是这种辐射源发出的。　

　　我们日常生活里所遇到的大部分力就是来源于这种电磁力，它使电子靠近原子，并且使原子互相结合在一起。如果深究下去，沙发上弹簧的力也可以看作是金属的晶体结构中移动原子间的电磁引力