宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第2章
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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。炸药爆炸的能量来源于化学能，化学能也是电磁力产生的。当膨胀气体撞击容器壁或者炸弹外壳时，施加在撞击分子上的排斥力也是电磁力，这种斥力是由于电子间距离的扭曲而产生的。所有生物过程都能用分子转化来描述，这种转化是受电磁力支配的。
强核力
我们认识万有引力和电磁力已有很长时间了，但是，一直到20世纪过了好长时间，原子核中存在的第三种力才被弄清楚。原子核包括质子和中子，其中最重要的是质子带正电，中子不带电，不过它们吸得非常牢，好像被胶粘住了一样。如果它们不能粘在一起，那么就没有我们现在的世界了。这个力非常大，连带有同性电而相斥的质子间的静电斥力也不会使整个核散开，而万有引力太弱了，不能把核约束在一起。因此，在核粒子之间一定有比电磁力更强的力存在。经过研究，对这种强核力已可做出很好的定性描述，这种力最重要的特性是：它是短程力。如果核粒子互相接触到非常近的距离内，此力是很强的。在这个范围之外，此力很快降为零。关于这点，力的作用有些像把原子核结合在一起的胶水，而道理却完全不同。这种核力的强度由质子和中子的方位而定。
弱相互作用
虽然大物理学家费米计算出了第四种形式的力…弱相互作用的一些规则，但是直到现在，弱相互作用的重要意义和机制还没有被人们很好地了解。弱相互作用可用来解释放射电子射线的天然放射性元素的衰变，许多新粒子也因弱相互作用而衰变。我们对它知道得太少，以至于不能说它的作用范围究竟有多大。
第10节：三、物质形成（4）
万有引力、电磁力、强核力和弱相互作用力…目前就人类所知，物质的基本结构单元还没有以另外的方式作用的。我们把核束缚力叫作强力，把其他力称为弱力。这四种力是宇宙间全部存在的力，是物质间互相作用的简单规则。在这些规则的作用下，我们才能行走、运动、看电视、仰望星空、看太阳升起又落下……我们不知道它们是从哪里来的，但是我们永远在它们的统治之下。
我们比较一下四种力相互作用的强度。当两个质子互相接触时，强核力（使两个质子靠近的力）可以是电磁排斥力（使两个质子远离的力）的100倍。弱相互作用与强核力比较，后者是前者的1013倍。所有这些作用力中最弱的是万有引力，它只有强核力的1/1039那么小！而万有引力在我们看起来那么重要的原因是它相对来说是长程力。例如，我们的重量表示地球中的1051个核粒子与我们自己身体内的1019个核粒子间的引力。在个别的核反应或原子反应中，可以完全忽略掉万有引力的影响；而对大尺度的物体，例如星星、银河等之间的相互作用主要是万有引力作用。
2．0。01秒
在宇宙形成0。01秒之后，宇宙的温度约为1000亿摄氏度，这个温度看起来很恐怖，但是已经在我们可以测量或者说可以预测的范围之内了。刚才那个最原始的小球，我们根本不能预测它的温度。在0。01秒之后，我们现在认识的一些粒子开始出现了。而刚才那个小球，构成它的物质根本没有人知道。
0。01秒之后的宇宙物质的主要成分为轻粒子。轻粒子顾名思义就是质量很小的粒子，例如光子、电子和中微子。而能构成实际物质的质子和中子的比例只占不到十亿分之一。由于整个体系在快速膨胀，因此温度便很快下降。
我们同样无法知道为什么构成我们身体和这个世界的这些粒子一定是现在这个样子，它们从宇宙创生初期到现在一直是这个样子，从来没有改变过。我们知道孩子总是像父母，而这些没有父母的粒子的样子是谁确定的呢？所以，就像描述力的规则一样，我们也只能描述一下物质规则，而不能探究它的根源。
规则之二：基本粒子 构成世界的基本粒子大概有二百多种，所有的物质都是由这二百多种基本粒子组合构成的。这些粒子相互作用，构成了生机勃勃的宇宙。例如我们看到一只狗在奔跑，从微观粒子的角度看，就是数不清的粒子在运动，这些粒子构成狗的细胞，狗的细胞又构成它的肌肉和神经。这些粒子通过三种力（万有引力在粒子相互作用这个级别可以忽略不记，它适用于比较大的尺度）互相纠缠和影响，才产生我们看得见的运动。
第11节：三、物质形成（5）
根据粒子间的三种相互作用，可将这二百多种基本粒子分成三大类： 第一类是具有强作用的粒子，称为强子。已发现的基本粒子中，约95％是强子，这是基本粒子中最庞大的家族。质子和中子是大家熟知的强子，除了质子和中子外，还有π介子、K介子、超子以及叫作共振子的基本粒子也是强子。强子除具有强相互作用外，一般也有电磁作用和弱相互作用。
基本粒子的第二大类是没有强相互作用的，称为轻子。比较有名的轻子有电子和中微子，另外还有τ介子和μ介子等基本粒子也属于轻子。轻子的特点就是没有强相互作用，而都有弱相互作用。另外有些轻子，例如电子，因为带电所以还有电磁作用。中微子比较难以探测到，就因为它不带电，又是轻子，所以只有通过探测弱相互作用才能探测到它。
基本粒子的第三大类就是既没有强相互作用，也没有弱相互作用，而只有电磁作用的粒子。这类粒子只有一种，就是光子。所以，凡是有光子参与的过程必然涉及电磁作用。
我们不妨列举一下创世之初的几个有名的轻子： 电子 电子�
