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神秘的宇宙 探究宇宙的奥秘和人类存在的理由

宇宙 2018-01-21 12:59

大约137亿年前,天地混沌一片,没有恒星,没有星系,没有行星,也没有人类,然后,毫无征兆的大爆炸产生万物,我们所处的宇宙在一个天体火球中诞生,随后,万物从虚无中产生。大约100亿年后,名叫地球的行星上开始有生命出现,最终,这个星球上出现了如今在其上漫步的你、我、他……这一系列事件发生的可能性都微乎其微,但它确实发生了,而且仍然在不断发生。

人类自从诞生伊始,就一直被几个问题所困扰:我们来自何处?宇宙为什么会存在?是否还存在其他宇宙?是否还存在另一个我?人类最终会灭绝吗?宇宙的终极命运是什么?等等。

这些绵远而恒久的问题激起了无数科学家的兴趣,他们穷尽毕生心血,给出了各种各样的答案。近日,英国《新科学家》杂志为我们一一进行了梳理和分析。这些答案或许远非最终答案,但俗话说:吾生也有涯,而知也无涯。探究和追寻这些问题的答案或许是人类这个宇宙中最奇特的存在最大的存在理由吧。

1.我们从何处而来?

为什么我们会在这儿呢?我们来自于何处呢?按照中非Boshongo人的传说,在我们出现之前,世界太初只有黑暗、水和伟大的上帝Bumba。有一天,Bumba胃痛发作,呕吐出太阳。太阳让一些水蒸发,留下大地。他仍然不舒服,又吐出了月亮、星辰以及随之而来的美洲豹、鳄鱼、乌龟等,最终吐出了人类。

这个创世纪神话和很多神话一样,试图回答人类自诞生伊始就一直在追问的问题,那就是:为什么我们会在此处?现在,我们拥有的一个强大的工具科学可以为自己提供答案。

大约80年前,科学家们首次发现了第一个科学证据。上世纪20年代,美国天文学家爱德温·哈勃开始用一个100英尺的望远镜在位于洛杉矶的威尔逊山天文台观察宇宙。哈勃发现,恒星并非均匀地分布于整个空间,而是大量聚集在被称为星系的集团之中。

哈勃测量来自星系的光,进而能确定它们的速度。起初他估计,向我们飞来的星系和远离我们的星系一样多这是在一个随时间不变的宇宙中应有的。但令哈勃惊讶的是,他发现几乎所有的星系都正在远离我们而去。而且,距离我们越远的星系,远离我们的速度也越快。我们身处的宇宙正在不断地膨胀,星系之间的距离随时间而增大。这一发现彻底颠覆了原先人们拥有的宇宙随时间保持不变这一认知。

宇宙在膨胀是20世纪或任何世纪最重要的发现之一。它转变了宇宙是否有一个开端的争论。如果星系现在正在相互远离,那么,它们在过去一定更加靠近。如果它们过去的速度一直不变,那么,在大约150亿年之前,所有星系应该一个落在另一个上。这个时刻是宇宙的开端吗?

很多科学家仍然不喜欢宇宙具有起点,因为,这似乎意味着物理学崩溃了。因此,人们不得不求助于“外援”,为方便起见,人们将其称为“上帝”,它决定了宇宙如何开始。为此,科学家们提出了一些理论,这些理论认为,宇宙此时此刻正在膨胀,但是,宇宙没有起点,或许,我们最熟知的是1948年由英国天体学家邦迪、高尔德和霍伊尔提出的稳恒态理论。

稳恒态理论认为,宇宙会永远存在,而且,在所有时间中都显得一样。但后来,科学家们发现,宇宙是存在起点的,因此,稳恒态理论被扔进了科学史的故纸堆。

证实宇宙存在着一个非常稠密起点的观测证据出现在1965年10月,那时,科学家们发现了贯穿整个宇宙空间的微弱的微波背景。这些微波和人们使用的微波炉的微波是一样的,但比微波炉的微波微弱很多。它们只能将匹萨加热到零下270.4摄氏度,无法将匹萨化冻,更不用说烤熟它。实际上,你自己就可以观察到这些微波。把你的电视调到一个空的频道,在荧幕上看到的雪花的百分之几就归因于这个微波背景。

唯一合情合理的解释是,该微波背景是宇宙早期非常热而稠密状态遗留下的辐射,随着宇宙不断膨胀,这种辐射慢慢冷却,直到我们今天观察到它的微弱残余。

理论也支持这一观点,英国宇宙学家史蒂芬·霍金和英国数学家兼物理学家罗杰·彭罗斯教授已经证明,如果爱因斯坦的广义相对论是正确的,那么,将存在一个奇点,这个奇点拥有无限的密度和时空曲率,时间在此处开始。

宇宙开始于一场大爆炸,随后膨胀得越来越快,这就是宇宙暴胀理论,结果也证明,早期宇宙膨胀得更快,宇宙在比一秒还微小得多的时间里膨胀了1030倍。

和通货膨胀不同,早期宇宙的暴胀是非常好的事情。它产生了一个非常巨大、均匀而平坦的宇宙,正如我们观察到的。然而,它不是完全均匀的,宇宙到处都有细小的变化,这些变化导致早期宇宙的温度与现在相比会有些许不同,这一点能在宇宙微波背景中观察到。

这些变化意味着,有些地区膨胀的速度会稍慢一点,这些区域最终会停止膨胀并再次瓦解为星系和星星,星系和星星反过来会形成太阳系。

我们自己的存在应归功于这些变化。如果早期宇宙完全光滑,将不会出现行星,因此,生命也不会诞生,我们是极早期宇宙的量子起伏的产物。

尽管这一点越来越清楚,但还有很多问题悬而未决。我们为何在此?我们是宇宙中唯一能回答这些问题的生物吗?现在,我们正慢慢开始获得这些古老问题的答案。

2.为什么宇宙会存在?

《新科学家》记者阿曼达·杰夫特曾写到:“宇宙很大,真的很大。”如果我们的宇宙大爆炸理论是正确的,那么,以前的宇宙会比现在小。确实,在某点上,宇宙甚至并不存在。大约137亿年前,时间和空间同时从“空”中产生。那么,这一切是如何发生的呢?

或者,换句话说,万事万物为什么会存在呢?这是一个大问题,或许是最大的问题。宇宙从虚无中产生这个观点本身就让人头大,想象一下什么是虚无或许更让人崩溃。

然而,从科学的角度而言,这也是一个合乎情理的问题。毕竟,有些基本的物理学法则认为,在很大程度上,你和宇宙中其他事物存在的可能性微乎其微。热力学第二定律是现有的最被接受的物理学法则之一。该法则认为,熵(entropy,指体系的混乱程度,在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有重要应用)一直在增加。

科学家们用熵作为衡量指标,来测量不改变系统外观的情况下,系统的各组成部分可采用几种方式来排列。排列方式越多,熵越高;反之,越低。例如,一个热气中的分子可以采用多种不同的排列方式制造出同样的温度和压力,因此,该气体就是一个高熵系统。相反,人们无法在不将一个活体生物变成一个非活体生物的情况下,对该活体生物的分子进行重排,因此,该活体生物是一个低熵系统。

按照同样的逻辑,虚无是我们周围最大的熵系统。人们能随心所欲地对其进行洗牌,并且,它仍然看起来是虚无。

鉴于这一法则,很难观察到虚无是如何变成某些事物的,更不用说变成像宇宙那么庞大的事物了。但是,熵只是宇宙故事的一部分。对称性也和宇宙故事脱不了干系。自从宇宙诞生伊始,对称性的影响力似乎与日俱增。虚无的对称性就非常好,诺贝尔奖获得者、麻省理工学院的物理学家弗朗克·韦尔切克表示:“虚无是完全对称的。”

然而,在过去几十年中,科学家们已经知道,对称性是可以打破的。韦尔切克的专业是量子色动力学,这是一个描述夸克之间强相互作用的标准动力学理论,它是粒子物理标准模型的一个组成部分。该理论告诉我们,虚无是事物的不稳定状态。“你能够制造出一个没有夸克和反夸克粒子在其中的状态,它是完全不稳定的。”韦尔切克说,“它会自发地开始产生夸克—反夸克对。”美国科罗拉多州立大学的物理学家维克托·斯坦格表示,因此,虚无完美的对称性被破坏了,这会产生一个意想不到的结论:尽管存在熵,有是比虚无更加自然的状态。

英国牛津大学的量子物理学家弗兰克·克洛斯也同意这个观点,他表示,根据量子理论,不存在“空”这一状态。“空”有精确的初始能量,对不确定的量子世界来说,“空”是一个非常苛刻的要素。相反,真空实际上充满了滚烫的粒子汤,它们在存在之间进进出出。从这个意义而言,包括你、我、月球以及我们宇宙中所有的一切事物都由量子真空受激而产生。

宇宙的起源还有其他解释吗?韦尔切克表示,恐怕没有了,他说:“虚无和充满了各种物质的宇宙之间毫无障碍。”或许,大爆炸是虚无顺其自然的产物。

当然,这也提出了一个问题,大爆炸之前有什么呢?大爆炸持续了多长时间呢?不幸的是,在这点上,基本概念让我们灰头土脸:“以前” 这个概念变得毫无意义。用史蒂芬·霍金的话来说,这些问题就像问南极之南是什么一样。

即便如此,有来自于虚无这一想法可能会引发一个更令人抓耳挠腮的后果,那就是:或许虚无本身就不可能存在。

为什么这么说呢?量子不确定性使时间和能量之间达到了平衡,因此,持续时间很长的事物拥有的能量一定很少。这就可以解释一个问题:我们的宇宙持续了数十亿年在这么长的时间内,星系得以形成,生命进化为能对其存在性进行提问的双足动物,因此,宇宙的总能量一定很低。

这也符合人们对早期宇宙的普遍认识:大爆炸之后,时空经历了一个突如其来的膨胀。这短时期的迅猛膨胀暴胀为宇宙填充了巨大的能量。但是,爱因斯坦的广义相对论告诉我们,更多的时间—空间也意味引力更大。引力产生的拉力代表让宇宙膨胀的负能量,其能抵消暴胀产生的正能量宇宙从虚无中产生,这种正能量不可或缺。麻省理工学院的宇宙学家阿兰·古斯表示:“我想要说的是,宇宙是最后的免费午餐。”古斯于30年前提出了暴胀理论。

过去,物理学家们担心,万事万物从虚无中产生会违背很多物理学法则,比如能量守恒定律。但是,如果存在着初始能量来使其守恒,问题自然烟消云散。并且,从虚无中产生一个宇宙不仅变得似乎可行,而且还是可能的。古斯说:“可能更好的表达方式是,有即是无。”

然而,上述种种解释还是无法让我们摆脱困境。我们对于宇宙万物生成的理解依赖物理学法则的合理性,尤其依赖量子不确定性的合理性。但是,那意味着,在宇宙存在之前,物理学法则就已经被编织入宇宙的“衣料”中。那么,物理学法则如何能超出时空而毫无理由地存在呢?或者,换句话说,为什么有一些不是虚无的事物事先就存在呢?

3.为什么宇宙刚好适合我们生活?

如果让原子核胶着在一起的强核力(最强的一种作用力,有效距离亦最短,它负责将夸克结合成质子、中子等粒子以及将质子与中子结合成原子核)再强大百分之几,在不到一秒钟的时间内,太阳这样的恒星内部的氢燃料就会燃烧殆尽。如果那样,太阳系爆炸的时间可能发生得更早,那么,生命就不会出现在地球上。

如果弱核力(造成放射性原子核或自由中子衰变的短程力,它负责放射性现象,只作用于自旋为1/2的物质粒子,而对诸如光子、引力子等自旋为0、1或2的粒子不起作用)再微弱百分之几,构成我们所处世界中的大部分物质的重元素将不会存在,更不用说人类自身了。

如果重力比现在再微弱一点点,它将无法有效地挤压太阳的内核核心从而点燃核反应制造出太阳光;如果重力再强一点,太阳内的燃料早在数十亿年前就已燃烧殆尽,人类同样也不会出现。

在物理学法则中,这样为了生命的出现而严丝合缝刚刚好的例子似乎随处可见。自然界中很多必须的参数基本力的强度和基本粒子的质量似乎都经过了“精调”,“刚好适合”生命出现。宇宙似乎就是为了人类的出现而存在一样。

那么,为什么会如此呢?一种可能性是:一个超级存在“造物主”对宇宙进行了精调。尽管有很多人喜欢这种简单的解释,但迄今为止,科学家似乎还没有找到充分的证据来证明这一点。另一个可能性是,宇宙没有任何其他选择。宇宙就是如此,而我们刚好就身处于这样一个与生命相契合的法则所统治的宇宙中。

不管怎样,这都似乎暗示,我们的存在是一件非常幸运的事情,在阐述与宇宙相关的一切事物如何出现时,史蒂芬·霍金就曾多次提到“幸运”这个词。整个宇宙能够存在,智能生命能够在宇宙中孕育并进化都是非常幸运的事情。然而,大多数物理学家们并不这么想。

最有可能阐释宇宙为什么刚好精确地适合人类生存的解释或许令人觉得匪夷所思:我们的宇宙只是众多宇宙中的一个。每一个宇宙都有不同的物理学法则。我们发现自己身处的宇宙刚好拥有适合人类生存的法则,因为如非这样,我们就不会出现在这样的宇宙中了。

“多重宇宙”这一概念并非空穴来风,科学家已经为其找到了理论支持。那就是弦理论。弦理论是现今我们对万物之理所做出的最好尝试,该理论预测,至少存在10500个宇宙,每个宇宙都拥有不同的物理学法则。整个撒哈拉沙漠只有1025粒沙子,由此可知,上述数据是多么惊人。

另外一个可能性是,没有任何理论或者说法可以解释所有这一切。有人认为,整个精调理论完全是一派胡言,其中最著名的批评源于《精调谬论》一书的作者、美国科罗拉多大学的维克托·斯腾格,他在书中表示,根据精调理论,氢、氦、锂都不可能存在。

包括碳、氮、氧、铁在内的所有你身体内的重元素都在遥远的恒星内形成。1952年,英国天文学家弗瑞德·霍伊尔指出,这些元素的存在很大程度上源于宇宙学上的巧合。形成这些元素的关键一步是“3倍的阿尔法”过程,在这个过程中,三个氦核熔融在一起形成一个C-12核。霍伊尔提出,在一个红色星球内,在特定温度下,要想让这一反应发生,C-12的能量必须精确地等于三个氦核的结合能,实际情况也的确如此。

然而,斯腾格指出,1989年,以色列理工大学的科研团队表示,他们研究结果表明,C-12的能级实际上一直都非常不同,但是,宇宙中仍然产生了生命必需的重元素。

精调理论还有其他问题。其中一个问题源于一个事实:科学家们通过让一个参数一种自然力(或一个亚原子的质量)不断变化,与此同时,其他参数保持恒定不变,结果,他们也发现了一些精调的例子。也就是说,一些值发生改变并不会改变整个结果本身。这似乎非常不切实际。不过,我们迄今仍然没有获得的万物之理很有可能可以说明物理参数之间的密切联系。也有科学家解释说,改变一个参数产生的影响有可能被其它参数的变化完全抵消,因此,得到的结果不变。

而且,迄今为止,我们只有唯一一个生命正在不断演化的例子,因此,我们如何能确定其他星球上的法则就无法产生别的能和人类一样对其存在性进行深思的生命系统呢?

另外,还有一个精准微调的例子很难被打发:宇宙因为暗能量而加速暴胀。量子理论预测,神秘暗能量的强度比我们观察到的值大10120倍。

诺贝尔奖得主斯蒂芬·温伯格表示,这种不一致似乎非常意外。如果暗能量不是如此微小,不会出现星系,人类也不会出现。温伯格勉强接受的解释是,我们必须生活在一个暗能量的值“刚好”的宇宙中。温伯格表示:“暗能量仍然是唯一需要用多重宇宙观点进行解释的参量。我还没有看到其他物理常量经过精调的证据。”

4.我们是宇宙中孤独的存在吗?

当你凝视美丽的夜空时,你是否好奇地想知道,此时此刻有没有其他“人”正注视着你?宇宙中也有其他我们称为“神秘花火”的生命存在吗?

直觉告诉我们,在广袤无垠的宇宙中,我们可能并不孤单。每2000颗恒星中,就有一颗恒星人能用肉眼看到;在我们所处的星系中,大约存在着另外5000万颗这样的恒星,而我们身处的星系只是宇宙1000亿个星系中的一个。换句话说,我们围绕其旋转的这颗恒星只是亿亿个十亿颗恒星中的一颗,真的是沧海一束。宇宙的其他某个地方很有可能存在着和我们身处的地球一样的蓝色小点,那么,它是孵化出像我们一样的智能生命的摇篮吗?我们并不知道。然而,这并不能阻止人们希冀早日找出答案的美好愿望。

1961年,年仅31岁的美国加州大学的天文学家和天体物理学家弗兰克·德雷克发明了一个估算外星文明数目的方程式,这就是著名的“绿岸公式”: N=R×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×L。这个公式看起来有点庞杂,它以一连串可能性的乘积来计算银河系中可能存在的文明社会的数量。

其中,N代表银河系中的文明数量,它是几个可以求出的未知数的乘积。R是每年银河系中诞生的恒星数;Fp是拥有行星的恒星比数;Ne是行星系中“类地”行星的平均数;F1是类地行星中具有生命的行星比数;Fc是能够进行星际无线电通讯的智能生物比数;L是通讯文明的平均寿命。

德雷克运用这个方程乐观地推导出,银河系中大约有1万个左右的先进文明,或者也可以表述为,大约20000万颗恒星中有一个先进文明。其中最近的文明可能距离我们约1000光年远。其他许多天文学家、生物学家也试图求解这个方程,但结果大相庭径。因为这一方程涉及七个变量,一些变量已被确定,另一些变量则很难确定。

现在,我们也能够让一些数字与因子对号入座。我们知道,银河系每年诞生20颗恒星,另外,我们已经在除了太阳之外的其他恒星周围找到了560多颗行星,大约四分之一的恒星是拥有质量与地球一样的行星。但估算这些生物因子有点像猜谜。因此,我们实际上很难求出这个方程的精确解。不过,它给出了一个合理猜想的方向。

有一些天文学家认为,生命几乎可以出现在任何宜居的行星上。也有人怀疑,简单生命可能非常常见,但智能生命却相当罕见。另外有些人则认为,我们的星球是独一无二的。美国亚利桑那州立大学的物理学家保罗·戴维斯表示:“生命能否如此简单地形成呢?我们完全蒙在鼓里。”

如果其他星球上也有类似于人的生命,那么,有什么证据可以证明这一点呢?在火星上发现生命可能于事无补,因为,火星上的生命很可能与地球公民具有同样的起源。“毫无疑问,地球与火星之间的碰撞会在彼此之间来回传递微生物,火星和地球并非完全独立的生态系统。”戴维斯说。

或许,在土星的第六号“月亮”土卫六“泰坦(Titan)”上更有可能发现生命存在的踪迹。太空生物学家们将“泰坦”视为疑似存在外星生命的地区。泰坦是太阳系内唯一表面有液体存在(尽管只是乙烷湖)的其他地方。“我们认为,如果泰坦上存在生命,其起源将会与地球生命的起源不同,泰坦上的生命将会讲述另外一个故事。”美国华盛顿州立大学天体生物学家德克·舒尔策-马库奇表示,“如果我们能发现一个另外的起源,那么,我们或许就能说,宇宙中可能还有很多生命存在。”

在我们所处的太阳系中发现外星微生物或许在某种程度上可以证明人类并不孤独。但是,我们真正想知道的是,在太阳系外,是否还存在着其他智能生物。50年来,天文学家们使用射电望远镜对天空进行了深度扫描,不放过任何蛛丝马迹,但迄今为止,还是一无所获。

但是,这也并不意味着ET(外星人)并不存在。外星人可能也不知道我们的存在。能到达太阳系外的、能证明人类存在的唯一证据是射电信号和遍布城市上空的各种光线。“自从二战以来,我们一直发射的只有强大的射电信号。”位于美国加州的地外文明搜索研究所(SETI Institute)的赛思·肖斯塔克表示。因此,我们的“名片”散落进浩淼太空的时间只有70光年。如果银河系像伦敦那么大,那么,地球只是伦敦西区纳尔逊圆柱的基座,我们的射频信号目前还没有离开特拉法加广场呢。

“即使太阳系外挤满了外星人,它们也并不知道人类在这儿。”肖斯塔克说。反之,也成立。鉴于宇宙如此广袤无垠,而光速有限,大多数星星和行星或许都没法看到。

还有另外一种可能性,那就是,智能生命与人类是独立的。毕竟,人类智能存在的历史只是地球这本历史书的“一个小篇章”,人类智能的存在可能仅仅只是一种转瞬即逝的状态。希望临近的星球不仅存在着智能生命而且它现在就有智能生命,这可能是一个奢望。

但是,假如我们确实与外星生命取得了联系,我们将做何种反应呢?NASA(美国航空航天局)现在已经有了备用计划。很多宗教团体也宣称,他们能接受存在外星生命这种观点,但是,根本的问题是我们不知道这一切何时会发生。

最有可能出现的情况是,我们永远不会发现外星人的“芳踪”。即使地球并非唯一存在智能生命的星球,显然,我们也能安然无恙地继续我们的存在。但是,在我们的内心深处,总会不断涌现出一种感觉:情况可能并非如此,终有一天,我们会与外星人相谈甚欢。

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