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[转载]宇宙观的演变--3

(2018-06-11 21:27:23)
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分类: 学习笔记
原文地址:宇宙观的演变--3作者:时易刘建君
 老子》第十四章中有这样的描写:“视之不见,名曰夷;听之不闻,名曰希;搏之不得,名曰微。此三者不可致诘,故混而为一。”(看它不到叫夷;听它不着叫希;抓它不住叫微。这三个不可能追究到底,所以要混而为一)。这简直就是不确定原理的文言版。虽后老子说:“其上不皎,其下不昧。”(它上面不亮,它下面不暗),多么形象地描述的微观粒子的不确定性。“绳绳兮不可名。”(纷纭不绝无法命名),还记得光的波粒二重性吗?量子力学论证微观粒子和光一样也具有二重性,只不过微观粒子有质量,而光没有质量,所以对于微观粒子也是“名可名,非常名。”所以也就绳绳兮不可名了。然后,“复归于无物,是谓无状之状,无物之象,是谓惚恍。”(当它归于没有质量,就是无状之状,无物之象,就叫惚恍)。当基本粒子的内秉质量为零时,如上面所说,此时的基本粒子就是光。因此,“无状之状,无物之象”就是对光的描述,光的典型特征是波粒二重性,波是象、粒是状,光波没有质量,所以是无物之象;粒子无法确定其速度和位置,所以是无状之状。但老子并没有给它起名叫“光”,而是叫“惚恍”, 惚恍是光一闪一闪的状态,光的闪烁意味着光的传播,对了,惚恍是光速!在物理学家们的发现中可以得知恒定的是光速而不是光本身。而后老子描绘了“惚恍”的特点:“迎之不见其首,随之不见其后。”(迎着它看看不到它的前头;跟着它看看不到它的后面)。老子所描述的惚恍与物理学家描述的光速(不管观察者运动多快,他们应测量到一样的光速)有异曲同工之妙。到此为止,老子在第十四章中完全精辟地阐述了不确定原理和光速恒定原理。但是这并没有结束,老子接着说:“执古之道,以御今之有。能知古始,是谓道纪。”(用自古就有的道,来观察、理解今天的存在,可以理解宇宙的初始,这种方式叫做“道纪”)。而霍金就是利用自古就有的原理(不确定原理和光速恒定原理),来观察、理解今天这个正在膨胀的宇宙,从而推导出了宇宙起始点。
        现在让我们完整的读一遍《老子》中包含了宇宙基本规律即不确定原理和光速恒定原理,并将这种以道观今而知古始的方法命名为“道纪”的第十四章:

        视之不见,名曰夷;听之不闻,名曰希;搏之不得,名曰微。此三者不可致诘,故混而为一。其上不皎,其下不昧。绳绳兮不可名,复归于物。是谓无状之状,无物之象,是谓惚恍。迎之不见其首,随之不见其后。执古之道,以御今之有。能知古始,是谓道纪。

        霍金确定了解释宇宙的物理学定律,而且从理论上是成功的,量子引力学很好地解释了今天这个正在膨胀的宇宙。但是,霍金还需要一个证据,就如同当年,爱因斯坦预言光线偏折从而验证空间弯曲一样。霍金想到了一个办法:那就是象宇宙之初那样的物质高密度点可能存在于我们今天的宇宙之中,他把这种物质高密度点称为“黑洞”。 黑洞的特点是物质被高度挤压而存在与一个极小的尺寸里,(如果黑洞的质量和一座山差不多,却被压缩成万亿之一英寸亦即比一个原子核的尺度还小!),而在这个尺寸里有巨大的引力场。正如《时间简史》第六章中所描述的:“一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场,以致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光,还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。”《时间简史》第二章中所描述的:“坍缩的恒星在自己的引力作用下被陷入到一个区域之中,其表面最终缩小到零。并且由于这区域的表面缩小到零,它的体积也应如此。恒星中的所有物质将被压缩到一个零体积的区域里,所以物质的密度和空间——时间的曲率变成无限大。换言之,人们得到了一个奇点,它被包含在叫做黑洞的空间——时间的一个区域中。”
这样的高密度点,也就是黑洞,在时空之中是个奇点。它同宇宙之初的状态类似,时空在黑洞处不是连续而平坦的。黑洞的密度如此之高且尺寸如此之小,使得时空在这里弯曲并终结。如果有一个宇航员胆敢冲向黑洞的话,他完结的不仅是身体,他的时空也虽之终结。由于黑洞与宇宙之初大****时的状态类似,如果能在今天的宇宙里找到这样的黑洞的话,就意味着有关宇宙之初大****的推测是可信的。但是黑洞的引力是如此之大,以至于连光线都不能逃逸。在黑暗的宇宙中找黑洞,正如霍金所说:就如同是在煤库里找黑猫。
        进一步的研究使霍金看到了希望。到了二十世纪七十年代,对黑洞长时期的思考使霍金得出了“黑洞不是这么黑”的推测。霍金认为,由于黑洞的大引力场的作用,在黑洞的边界处应该时时刻刻发生着粒子从无到有,再从有到无的过程。也就是说在黑洞的边界处不时凭空诞生一对对正粒子和反粒子,而这些粒子都很短命,它们产生后便找到它们的伴侣并与之相湮灭。但是有些反粒子不慎掉进了黑洞,与它相伴的正粒子找不到相互湮灭的对象,从而有可能逃逸到太空之中。于是人们有机会观测到这些逃逸到太空之中的粒子,于是人们也就有机会找到黑洞。关于粒子从无到有,再从有到无的推测是巧妙的,也并不是毫无根据的,如今在高能加速器中就可以创造这样的过程。不仅如此,《老子》中对从无到有,从有到无的描写也异常精彩。《老子》第一章中是这样写的:“常无,欲以观其妙;常有,欲以观其徼。此两者,同出而异名,同谓之玄。玄之又玄,众妙之门。”(常从“无”来观察事物的奥妙;常从“有”来发现事物的端倪。“无”和“有”两者是一回事,而名字不同,和在一起叫“玄”, 玄之又玄,是一切变化奥妙的关键)。那什么是玄之又玄呢?玄是无和有的总称,“玄之又玄”就是“无和有再无和有”,就是从无到有,再从有到无。正粒子和反粒子在黑洞边界处的诞生与湮灭就是“玄之又玄”。通过正粒子和反粒子的“玄之又玄”从而使一些正粒子变成了“有”而逃逸到太空之中,使人们可以观测到它,并通过它而得知黑洞的存在,进而通过黑洞的存在证实宇宙诞生时的状况。霍金通过“玄之又玄,众妙之门”的方法成功地演绎了“黑洞不是这么黑”的推测,而随即他的推测即被证实。2500年的时空好象并不遥远,老子的“玄之又玄”在霍金的演绎下变得一点也不“玄”了。
        到现在,我们看到了许多《时间简史》与《老子》共通之处,但这些还不够。《老子》第二十一章的描写更是惊人。“孔德之容,惟道是从。”(大“德”的样子,只能通过“道”来解释)。老子在本章的开始先描述了“道”与“德”的关系,为了描述最高层的“德”必须从“道”入手。那什么是“道”呢?“道之为物,惟恍惟惚。”(“道”是什么呢?只是恍只是惚)。还记得惚恍吗?第十四章中的那个惚恍阐述了光速恒定原理和不确定原理,在这里老子更加清楚地告诉我们“道”就反映在这个惚恍身上。而后老子继续描述惚恍:“惚兮恍兮,其中有象;恍兮惚兮,其中有物。”这是对光的波粒二重性的又一次精彩描述。“惚兮恍兮”是光的一种状态,“其中有象”,象是虚的,虚的是波;“恍兮惚兮”是光的另一种状态,“其中有物”,物是实的,实的是粒子。然而,这并不算结束,接下来的更是另人瞠目结舌:“窈兮冥兮,其中有精,其精甚真,其中有信。”窈是小,冥是暗、是不那么黑,其中有精华,这精华是非常真的。是不是很眼熟,对了,这里描写的是黑洞!“黑洞的特点是物质被高度挤压而存在与一个极小的尺寸里”,难道不是“窈”吗?“黑洞不是这么黑”, 难道不是“冥”吗?“物质被高度挤压”, 难道不是“其中有精,其精甚真”吗?不仅如此,老子还说:“其中有信。”有什么信,当然是宇宙初始的信息。霍金不就是通过黑洞的存在而证实宇宙诞生时的状况的吗?接下去老子自己给出了解释:“自今及古,其名不去,以阅众甫。吾何以知众甫之状哉?以此。”从今可以推知远古,那个宇宙诞生的真相一直存在,用来了解万物的本始。最后老子非常肯定地告诉我们:我是怎么了解万物的本始的状态的呢?以此。
        也许2500年的时空距离在黑洞的边缘处根本就不算距离。更好的解释是,世界的运行之“道”原本就在那里,真正是“自今及古,其名不去”。无论是2500年前的老子从人的规律通晓了天的规律;还是今天的霍金用试验的手段,通过观测了解了天的规律,最后殊途同归,共同归结到真正的“道”上面。
        让我们再一次回顾《老子》第二十一章:

        孔德之容,惟道是从。道之为物,惟恍惟惚。惚兮恍兮,其中有象;恍兮惚兮,其中有物。窈兮冥兮,其中有精;其精甚真,其中有信。自今及古,其名不去,以阅众甫。吾何以知众甫之状哉?以此。
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        现在,由于黑洞理论,使得宇宙在起始时刻发生的大****更加令人信服。于是霍金根据量子力学的原理,在《时间简史》第八章详尽地描述了宇宙早期的状态: 

        “就在大****时,宇宙体积被认为是零,所以是无限热。但是,辐射的温度随着宇宙的膨胀而降低。大****后的1秒钟,温度降低到约为100亿度,这大约是太阳中心温度的1千倍,亦即氢弹****达到的温度。此刻宇宙主要包含光子、电子和中微子(极轻的粒子,它只受弱力和引力的作用)和它们的反粒子,还有一些质子和中子。随着宇宙的继续膨胀,温度继续降低,电子/反电子对在碰撞中的产生率就落到它们湮灭率之下。这样只剩下很少的电子,而大部分电子和反电子相互湮灭,产生出更多的光子。然而,中微子和反中微子并没有互相湮灭掉,因为这些粒子和它们自己以及其他粒子的作用非常微弱,所以直到今天它们应该仍然存在。如果我们能观测到它们,就会为非常热的早期宇宙阶段的图象提供一个很好的证据。”

        就在大****时,宇宙处于“无”的状态,而后1秒钟,基本上是正、反粒子按照量子理论在不停地诞生和湮灭。此时宇宙正处在从无到有的过程中。
        《时间简史》第八章接着说:

        在大****后的大约100秒,温度降到了10亿度,也即最热的恒星内部的温度。在此温度下,质子和中子不再有足够的能量逃脱强核力的吸引,所以开始结合产生氘(重氢)的原子核。氘核包含一个质子和一个中子。然后,氘核和更多的质子中子相结合形成氦核,它包含二个质子和二个中子,还产生了少量的两种更重的元素锂和铍。可以计算出,在热大****模型中大约4分之1的质子和中子转变了氦核,还有少量的重氢和其他元素。所余下的中子会衰变成质子,这正是通常氢原子的核。”


        这时,在大****后的大约100秒时,组成今天宇宙的基本原子,氢、氦、锂和铍等等就诞生了。
        而《老子》第四十章精确地描述了这一过程:“反者道之动,弱者道之用。天下万物生于有,有生于无。”“反者道之动”就是大****后1秒钟正、反粒子在道的作用下不停地诞生和湮灭。“弱者道之用”说得是质子和中子不再有足够的能量逃脱强核力的吸引,所以开始结合产生原子核。于是“有”就在“反者道之动,弱者道之用”的过程中从“无”中诞生了。而后的万物就是来源于这个从“无”中诞生的“有”,所以老子说:“天下万物生于有,有生于无。”
        到此为止,霍金探索宇宙的过程以及对宇宙本原的描述可以告一段落了。量子力学和广义相对论成功地描述了自大****点开始和之后的宇宙。在这期间,霍金与老子思想的吻合程度也给我们带来了许多联想的空间。但是,还有一件事霍金没有解决,那就是,在宇宙开始时那个大****之前是个什么样子,以及为什么和怎样开始的大****,这在《时间简史》里也是个悬而未决的问题。因为前面说过,不可能将空间和时间的状态反推回去而通过这个大****点。“如果我们只知道在大****后发生的事件,我们也不能确定在这之前发生的事件。就我们而言,发生于大****之前的事件不能有后果,所以并不构成我们宇宙的科学模型的一部分。因此,我们应将它们从我们模型中割除掉,并宣称时间是从大****开始的。”(《时间简史》第三章)。
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主人回复引用 删除5楼  评论时间:2007年11月9日 0时52分27秒
        此时,霍金假设说如果是上帝引发的大****,那会是什么样子呢?《时间简史》第八章是这样说的:“看来科学揭露了一组定律,在不确定性原理极限内,如果我们知道宇宙在任一时刻的状态,这些定律就会告诉我们,它如何随时间发展。这些定律也许原先是由上帝颁布的,但是看来从那以后他就让宇宙按照这些定律去演化,而不再对它干涉。”如果真是上帝启动的这个大****,那他也只能象是一个爆破工人,在点完火以后眼睁睁地看着****的发生而无法干涉****的进程。看来上帝只有选择一组定律以及让宇宙何时开始的自由了。但是,很快霍金就指出上帝在选择定律上也没有多少自由。正如《时间简史》第十二章所说:“当我们将量子力学和广义相对论相结合,似乎产生了以前从未有过的新的可能性:空间和时间一起可以形成一个有限的、四维的没有奇点或边界的空间,这正如地球的表面,但有更多的维数。……但是如果宇宙是完全自足的、没有奇点或边界、并且由统一理论所完全描述,那么就对上帝作为造物主的作用有深远的含义。”在量子力学和广义相对论的描绘下,宇宙遵循一个完整的、可以自相协调的理论,霍金认为具备这样条件的理论不会太多。换句话说就是,上帝在宇宙之初也并没有什么“选择某一组定律”的自由。于是,如果真是上帝启动的这个大****的话,他不仅象一个爆破工人,而且连****都不是他安装的,他只是一个点火的人。
        于是问题来了:“但是,它是如何选择宇宙的初始状态和结构的?在时间的开端处“边界条件”是什么?”(《时间简史》第八章)。也就是说我们宇宙的开始有条件吗?老子为霍金解答了难题,请看《老子》第二十五章:“有物混成,先天地生。寂兮寥兮,独立而不改,周行而不殆,可以为天地母。吾不知其名,强字之曰道,强为之名曰大。”有物在天地诞生之前形成。寂兮寥兮,(注意,老子在这里没有使用空兮旷兮,而是采用“寂寥”来描述这个在天地诞生之前形成的“物”。因为,天地诞生于“无”,在天地诞生之前还不存在空间)。独立而不改变,周天运行而不止息倦怠,可以成为天地之母。我不知道它的名字,勉强给它一个字:叫“道”;勉强给它起一个名:叫“大”。在二十五章的前半部分,老子描述了这个在天地诞生之前形成的“道”,并告诉我们“道”的特点:“独立而不改,周行而不殆”。接着,老子进一步描述了这个“道”、这个“大”的形象:“大曰逝,逝曰远,远曰反。”大进而逝去;逝去到远方;远到极点就是返回。这个“大曰逝,逝曰远,远曰反。”与霍金所描述的宇宙非常吻合:宇宙在膨胀,所有的星球都在离我们远去;越远的星球远离的速度越快;远到极点就会返回因为“空间和时间可以形成一个没有边界的闭曲面”(《时间简史》第八章)。现在,问题来了,我们不是正在讨论先天地而生的“道”吗,怎么宇宙(也就是天)会有“道”的特性呢?老子随后告诉了我们:“故道大,天大,地大,人亦大。域中有四大,而人居其一焉。”通过上述“大曰逝,逝曰远,远曰反”这个特点可以推断出那个“大”不仅仅只有“道”才具备,同时,天、地、人也具备这个道的精神。在我们认识的范畴里,有四大,而人是其中之一!终于,我们讨论了很长时间的宇宙与人发生了关系!原来,前面所描述的这些先天地而生的“道”的特征也是人的特征,要不然,老子怎么会在早于霍金2500年就给我们描述了一个与现代物理学家发现的完全一致的宇宙呢?果不其然,老子在第二十五章最后讲述了他通晓天地的方法:“人法地,地法天,天法道,道法自然。”(通过人来了解地;通过地来了解天;通过天来了解道;最后通过道来了解万物自然)。
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