热大爆炸宇宙学给出了怎样的宇宙前景

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  • 第三讲 现代科学技术的前沿和边缘
    (华东师范大学 张沁源 2005年10月19日)
    一,常识空间以外的物理科学
    向宏观和微观两个极端的深化
    20世纪的科学取得了巨大的成果,就物质层次及其基本运动规律的认识来说,涉及以下五个层次的物质系统.第一,原子分子层次;第二,原子核层次;第三,夸克层次;第四,轻子层次;第五,宇宙层次.前四个层次又可归入微观体系.第五个层次与地球上物体,行星,恒星等一起可归入宏观体系.
    原子分子层次虽然在19世纪已有初步认识,但是真正在理论和实验上都进行深入探究并获得重大成果是在20世纪,尤其在量子力学诞生的20世纪20年代以后.对原子分子层次的研究涉及物理学,化学和生物学等多个学科,如量子化学,分子生物学,凝聚态物理学等.
    以居里夫人为首的科学家对物质放射性的研究,使人类认识了物质存在的另一层次——原子核.原子核是由中子和质子组成的系统,中子和质子依靠强相互作用紧紧地结合在一起形成原子核.对原子核的研究使人类获得了新的能源——核能,并成功地建造了核反应堆,实现了核能的和平利用.
    夸克层次是20世纪60年代开始发现并进行研究的.科学家发现夸克是比中子,质子等其他粒子更基本的粒子,中子,质子和其他一些粒子都是由夸克组成的.自那以来,科学家利用能量极高的加速器已经发现了总共6种夸克.夸克层次遵循量子色动力学所描述的规律.
    轻子层次的研究早于夸克层次的研究.最初的对象主要是光子和电子,后来发现了μ子和τ子及其与之相对应的三种中微子,即电子中微子,μ子中微子和τ子中微子.1956年代,杨振宁和李政道在轻子层次上发现了宇称不守恒,10年后温伯格等科学家又建立了描述轻子运动规律的电弱统一理论.电弱统一理论,顾名思义就是把电磁相互作用和弱相互作用统一起来的理论,也称为标准模型.
    宇宙层次的研究是建立在广义相对论的理论和河外星系谱线红移,3K微波背景辐射等天文观测基础之上的.广义相对论第一次实现了把宇宙作为整体进行的研究;河外星系谱线红移和哈勃定律表明宇宙在膨胀;K微波背景辐射表明宇宙早期曾处于高温高密的状态,宇宙诞生于热大爆炸.今天,广义相对论所预言的黑洞也获得了观测上的间接证实.
    以上五个物质层次的空间跨度从最小10-19米到最大1010光年(约1017米),相差1036倍.但是,这五种物质层次之间的本质区别,不在于它们空间范围的大小,而在于物质层次中起主导因素的相互作用的不同.例如,在宇宙层次,最重要的是引力相互作用;在原子分子层次,最主要的是电磁相互作用;在原子核和夸克层次,最主要的是强和弱相互作用;在轻子层次,最主要的是弱和电磁相互作用.人们正是通过对这五个物质层次的研究,认清了自然界相互作用的四种基本形式.
    在宇宙层次上,1917年爱因斯坦发表了题为"根据广义相对论对宇宙学所作的考查"的论文,开创了在理论上把宇宙作为物理整体进行研究的先河,成为现代宇宙学诞生的标志性文献.1946年,美籍俄国物理学家伽莫夫首次将广义相对论和原子核理论联系在一起,探索宇宙膨胀和宇宙元素丰度二者的起源,提出热大爆炸宇宙学模型.1965年,由彭齐亚斯和威尔逊发现的3K微波背景辐射成为热大爆炸宇宙学模型的最有力的支持.自那以来,热大爆炸宇宙学模型已成为宇宙学理论研究的主流,因而被称之为标准宇宙模型.20世纪80年代,在热大爆炸宇宙学模型的基础上又提出了描述极早期宇宙的暴胀理论和试图解释宇宙起源的量子宇宙学.
    1989年,美国发射了"宇宙背景探测器"COBE.1990年,发送回来的最初一批探测资料表明,微波背景辐射与2.730K的理论曲线吻合程度达到99.75%.1992年COBE卫星探测到的背景辐射的不均匀性与热大爆炸宇宙学模型所需的极早期中的暴胀理论相符.
    根据热大爆炸宇宙学模型,我们已经比较有把握地对宇宙的结构宇宙的运动和宇宙的演化作出说明.宇宙具有均匀和各向同性的结构,宇宙作为一个整体正在膨胀.宇宙起源于高温高密,每个空间点都在进行着(没有中心)的大爆炸.自宇宙大爆炸时刻起宇宙开始膨胀,随着膨胀,宇宙的密度减小,宇宙的温度降低.大爆炸后的第百分之一秒,温度降到摄氏一千亿度,宇宙中有电子,正电子,中微子,光子和少量的质子,中子等基本粒子,每10亿个光子(或电子或正电子或中微子)对应一个质子或中子;大爆炸后的第180秒,温度降到摄氏10 亿度,质子和中子组合成氦原子核;大爆炸后的70 万年,温度降到摄氏4000度,电子和原子核结合成原子,以后形成星系和恒星;今天已是大爆炸后的150亿年,温度不到摄氏零下270度(3K).
    那么宇宙的未来将是怎样的呢 这决定于宇宙现在的物质密度.如果物质密度等于或小于一个临界密度,宇宙将永远膨胀下去;如果物质密度大于这临界密度,宇宙膨胀到一定程度后会渐渐减慢膨胀的速度并由膨胀转为收缩,最终回到像大爆炸时刻那样的高温高密状态.1998年,科学家发现宇宙目前正在加速膨胀,看来宇宙很可能会永远膨胀,宇宙的演化是没有尽头的.
    走向统一之路
    沿着相对论和量子力学所指引的道路,在20世纪中的大半个世纪,人们开始寻找更高层次的统一,即自然力的统一或相互作用的统一.迄今为止已经发现的自然力,只有4种,即强力,电磁力,弱力和引力.这4种力或4种相互作用无论是强度还是力程都大相径庭,初略看来,似乎毫无统一的基础.但是,背后真的没有统一的机制吗 爱因斯坦不这么看,他认为追求自然界的统一,不仅是一个科学家的神圣的职责,而且科学家有这个能力.他说:"我们能否果真希望找到一条正确的道路 不仅如此,这条正确的道路除了作为我们的幻想以外是否还有存在的余地呢 我们能否希望由经验来指引我们走向这条正确的道路,如果确有那些在很大程度上对经验能下正确判断但并没有追溯到事物根源的理论(例如经典力学)存在 我可以毫不犹豫地回答说,根据我的意见,确实有一条正确的道路,而且我们有能力去找到它." 事实上,爱因斯坦在创立广义相对论后就一直在致力于电磁相互作用和引力相互作用的统一,虽然并未成功,但是他始终认为,以后一定会有人继续他未竟的事业.爱因斯坦没有讲错,在统一之路上自有后来人.
    就在爱因斯坦去世的这一年(1955年),杨振宁创立了规范对称理论.根据规范对称理论知道,强相互作用,电磁相互作用,弱相互作用和引力相互作用都是由规范对称这个原则支配的,因为这4种相互作用对应4种力,所以杨振宁把它叫做对称支配力.既然4种相互作用都受规范对称支配,那么4种相互作用就有可能在规范对称的原则下统一起来.
    1969年,温伯格和萨拉姆在规范对称理论基础上率先实现了弱相互作用和电磁相互作用的统一.弱电统一理论有一个重要的预言,那就是在有弱相互作用和电磁相互作用的基本粒子反应中,例如,电子和中微子的散射过程中,应该存在中性流.中性流是由Z这种中性粒子形成的粒子流.除了中性流外还有由W和W传递的带电流.W,W和Z都是规范粒子.1982年,西欧中心的一个实验小组在一台质子与反质子对撞机从140000个碰撞事例中,经过计算机筛选,终于找到5个事例可以确认W粒子的产生.1983年,西欧中心又找到了6个Z粒子产生的事例.实验上测得的这三个粒子的质量,与理论完全符合.弱电统一理论得到了实验的证实.温伯格和萨拉姆因此获得1979年诺贝尔物理学奖.
    弱电统一的成功增大了把4种相互作用全部统一起来的信心.20世纪70年代,建立了在SU(5)群数学基础上把强相互作用,弱相互作用和电磁相互作用统一起来的理论,称之为SU(5)大统一理论.
    SU(5)大统一理论能够说明对强相互作用,电磁相互作用和弱相互作用已有的认识,但是它的二个重要预言:质子衰变和存在磁单极子,一直未为实验证实.当前实验上给出的质子的寿命几乎是无限地长的,因为质子的半衰期大于1 亿亿亿亿年,但是在大统一理论里,质子的半衰期小于1亿亿亿亿年.至于磁单极子,大家都没有看到过.因为磁南极总是和磁北极相伴着的.尽管著名物理学家狄拉克在1937年曾经提出过可能存在磁单极子的假说,但是人们并没有认真对待这个假说.现在,大统一理论再次提出存在磁单极子的假说,导致很多实验室努力地去寻找磁单极子,至今没有找到.看来SU(5)大统一理论不是一个合理的大统一方案.
    大统一理论虽然在今天仍存在许多困难,但是很多科学家并不认为应该放弃统一的思想.例如,杨振宁就认为统一是个方向,目前的问题,很可能是因为对称的概念还没有得到很好的扩大.他在谈到对称与相互作用统一理论的关系时说:"今天还未能解决的问题,很可能是出于我们还未把对称这个概念推广到头.最近这20多年来,推广与再推广对称的概念已变成一个热门的课题.1973年,有人提出来一个非常巧妙的数学结构,叫做超对称.1976年,有人提出来一个新的对称概念,叫做超引力.它与超对称虽然不一样,可是有密切关系.1984年又有人提出了超弦.其实,所有这些发展方向的精神都是一样的,就是要把今天我们已扩大到相当大的,前所不能想象的一些对称观念再扩充一下.……其前途如何,我们现在还不敢讲.不过,假如你去问一个研究基本物理的人,这个总的方向——希望把对称的观念再扩充一点,再延展一下,通过这些努力企图来解决一些我们现在尚未解决的问题,是不是一个正确的方向呢 我想90%的人都会觉得这是一个正确的方向,虽然这个正确方向中的一些细节要向何处走,尚在摸索之中."(杨振宁,自然杂志,1995年10月,257页)
    科学不会停止发展,21世纪的物理科学正面临新的突破.尽管相对论和量子力学各自都很成功,而且在量子场论等领域它们也被结合在一起.但是,最近10多年来,在相对论和量子力学的发展过程中却出现了不协调.正如温伯格所说,现在发现"量子力学和狭义相对论几乎是不相容的,它们在量子场论里的调和为粒子的相互作用方式带来了有力的限制". (S·温伯格,《终极理论之梦》,湖南科学技术出版社,2003年,第114页)量子力学和相对论的不协调主要表现为:相对论是定域性理论,而量子力学却是非定域性理论.量子力学的非定域性是近十年来量子力学实验上最重要的进展.量子力学的非定域性主要表现为一个十分奇特的现象——量子纠缠(entanglement),即在一个量子系统的两个远距离部分之间的存在关联,而相对论则认为是不可能存在这种关联的.量子纠缠现象目前已经得到贝尔定理和艾思贝克特实验的支持.(关于量子纠缠我们在本章第五节将较为详细地介绍)
    李政道不久前在复旦大学演讲时说,也提到了物理科学所面临的问题.他认为,当代科学的大问题,在宇宙学里有两个,一个是类星体,一个是暗物质;在粒子物理学里有两个,一个是对称破缺,一个是看不见的夸克.若能了解这些问题,将对21世纪的科学发展产生重大作用.
    李政道指出,类星体问题实际上是一个能量机制问题.天文观测发现,新
    星的亮度能在瞬间超出太阳1—10万倍,超新星又比新星亮1—20万倍.然而,类星体更厉害,其亮度是1000个银河系亮度的总和.自1961年发现类星体至今还不知道它的能量机制,只知道它远远超过核能.在1987年又发现类星体的亮度突然增加了一倍,其原因迄今尚不清楚.通过类星体问题的研究,期待着找到比核能强大得多的能量机制.暗物质问题是关于物质是否存在未知形态的问题.天文观测发现银河系的星系群里有3/4的物质是看不见的,用光学,红外,放射等手段都不能测算其能量.寻找暗物质并观测它的性质,将会对物质的结构乃至物质本身有更深刻的认识.
    粒子物理学中的对称破缺问题与未知的力有关.粒子物理学中的许多理论,如量子色动力学,爱因斯坦的广义相对论,都是源于对称的.可是我们的世界又是不对称的.这表明除了已经知道的强力,电磁力,弱力和引力外可能存在未知的力,这个力是引起对称破缺的原因.如果我们了解这个力,就有可能知道对称破缺的机制,就能知道不对称性的起源,进而就有可能了解质量(包括暗物质)的来源.夸克问题既是物质结构问题也是能量机制问题,按照粒子物理学的现有理论,所有的强子,核子都是由夸克构成的,但是在实验上迄今未观测到自由夸克.究竟有没有夸克,把夸克结合成强子的能量机制是否特殊,这两个问题都是极为根本的问题.
    为了解决量子力学和相对论的协调问题,相互作用的统一问题和李政道谈到的四大问题,物理学界正在进行着艰难的探索.其中被人们誉为" 从21世纪偶然地掉入20世纪的物理学"——M理论成为最大的热门.
    M理论是从10维超弦理论发展而来的,它至今还没有确定的名称.M是取Magic(魔术),Mystery(神秘), Marvel(惊奇), Membrane(膜), Martic(矩阵), Mother of all theories(万理之母)的第一个字母而来.
    M理论认为构成我们世界的基本组元是具有超对称性的超块(brane或
    nugget),超块是既包含1维的弦,又包含2维的膜,还包含3维及高于3维的物质实体.在M理论中时空是11维的,其中1维时间,10维空间.M理论的空间比现实空间的3维多了7维,多余的7维称为额外空间.额外空间一般应紧致化,紧致化后的空间其线度大小是普朗克长度,所以我们观测不到,所能观测到的4维时空,正是我们的现实世界.M理论有一个特殊的性质——对偶性,所谓对偶性是说在M理论框架内,各种形式的超弦理论能给出同样结果.
    目前,M理论对于四个相互作用的统一已经有了较为合理的说明,对于宇宙起源问题也提出了新的观点,形成了M理论宇宙学,在M理论宇宙学中,把我们生活的膨胀3维空间宇宙作为在更高维的时空中运动的一个片或区域壁,而宇宙起源于量子真空.
    二,复杂性科学
    从自组织到超循环
    普利高津的自组织理论创立于20世纪60年代.普利高津研究了远离平衡态的开放系统,指出这样的系统在非线性相互作用的条件下(如涨落)将会从无序进入有序而不违背热力学第二定律,并把这样的过程称之为自组织.自组织是一种相变,表现具有耗散结构的系统,在向熵减发展的过程中,将进入新的更加有序的稳态.这种有序度的增加对应着信息的相对增多.自组织具有自创生,自生长,自进化,自复制等类型.一个远离平衡态的开放系统(不管是力学的,物理的,化学的,生物的乃至社会的,经济的系统),通过不断与外界交换物质和能量,在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时,经过涨落,系统可能发生突变即非平衡相变,由原来的混乱无序状态转变为一种在时间上,空间上或功能上的有序状态.
    根据自组织理论可以很好地说明生命体及地球等自然物体的如何保持有序.活的生物体是一个开放系统,通过与外界不停地交换物质和能量,从外界汲取取负熵,保持着它自组织的有序,保持着它旺盛的生命活力.
    普里戈金的耗散结构理论,不但为我们解开了热力学第二定律与生物进化论不协调之迷,消除了自然界存在的自组织现象的悬念,而且为我们了解整个世界包括社会的复杂性打开了通道.
    圣达菲研究院的斯图亚特·考夫曼认为,只有依靠自组织理论才能真正理解生命现象.他在《宇宙为家》一书中写道:"我要说,在此之外,生命还有另一个源头,那就是自组织;那才是有序状态的根源.我终于有了这样的信念:生物世界的秩序,不仅仅是零敲碎打的做出来的.那是由于自组织的那些原理自然,自发地生出来地.那些复杂性原理.我们才刚刚揭示出来并加以理解."(斯图亚特·考夫曼,《宇宙为家》湖南科学技术出版社,序言,2003年)
    德国科学家哈肯在普里戈金建立了自组织的耗散结构理论之后不久,于1973年创立了协同学.协同学认为,在生命和非生命的开放系统之内的各个子系统,当它们处于远离平衡态的条件下时,就会通过非线性的相互作用而产生协同作用和相干效应,在一定范围内,通过涨落而达到一定的临界点,就可以通过自组织而使系统从无序到有序,使旧的结构发展成为在时间,空间,性质,功能诸方面都发生根本变化的新结构.所以,可以认为协同学是关于自组织的集体行为的科学.协同学把一个复杂的自组织系统看作许多子系统形成的集体,自组织就是在耗散结构条件下这些子系统协同作用的结果.
    超循环理论是由德国科学家艾根(Manfred Eigen)于1970年提出的.艾根认为生命信息的超源是一个采取超循环形式的分子自组织过程,他把生物化学中的循环现象分为不同的层次:第一个层次是转化反应循环,在整体上它是个自我再生过程;第二个层次称为催化反应循环,在整体上它是个自我复制过程;第三个层次就是所谓的超循环(hypercycle),超循环是指催化循环在功能上循环耦合联系起来的循环,即催化超循环.实际上在超循环组织中,并不要求所有组元都起着自催化剂的作用,一般地说,只要此循环中有一个环节是自复制单元,此循环就能表现出超循环的特征.超循环的特征就是:不仅能自我再生,自我复制,而且还能自我选择,自我优化,从而向更高的有序状态进化.
    超循环结构演化的内部因素主要来自两个方面:首先是自复制单元在复制过程中出现的差错,类似于基因突变;其次,超循环结构是由多组元耦合成的多层次系统,内部存在复杂的非线性相互作用,在这种情况下,如混沌理论所指出的,内在随机性就会在很大程度上起作用,它给超循环结构施加了另一个内扰动.由此可见,超循环结构的演化,大体上与三个因素有关:复制误差,内在随机性和环境扰动.
    超循环结构只能在演化中存在.超循环结构存在,进化必需满足三个前提条件:(1)以足够大的负熵流推动结构的新陈代谢.(2)以足够强的复制能力使系统信息得以积累,遗传.(3)以组元间足够强的功能耦合保证结构的存在和发展.必须同时具备这三个条件,超循环结构才能稳定存在,发展进化,否则,退化是不可避免的.
    上述的复杂性理论主要探讨复杂系统的形成机制,结构和进化,对复杂系统的动力学研究不多.20世纪60年代兴起的混沌理论是关于非线性复杂系统动力学的理论.混沌理论中的混沌被界定为确定性非线性系统的有界的敏感初条件的非周期行为.
    混沌理论起源于天气系统的研究,混沌理论认为天气系统是对初始条件具有敏感依赖性的系统,任何一处微小的变化都会使系统在随后的发展中发生预想不到的变化.混沌理论的创始人之一,美国气象学家洛伦兹把一个系统极端敏感地依赖于初始条件的状况形象地比喻为蝴蝶效应.他说,一只蝴蝶在巴西扇动翅膀,也许就是得克萨斯一场龙卷风的起因.洛伦兹还认为蝴蝶效应不是偶然而是必然.
    混沌理论是对决定论的又一次挑战.量子力学在微观领域摈弃了拉普拉斯决定论,混沌理论则在我们熟悉的宏观领域排除了拉普拉斯决定论的可预见性的狂想.现在我们知道,混沌无所不在.上升的烟柱破碎成缭乱的旋涡,在风中前后飘扬的旗帜,从水龙头中滴出的从稳定变成随机式样的水有混沌,在飞机的飞翔中,在高速公路上阻塞的汽车的行为中,甚至在金融过程中也有混沌.混沌是关于系统性质的科学,它打破了各门学科的界限,把人们从不同的学科领域带到了一起.混沌已经不仅仅是理论,而且是一种有效的方法,是处理复杂的,非线性的,非周期性系统的方法.
    正如格莱克在他的著作《混沌:开创新科学》中说:"混沌是这样一种思想,它使所有科学家们信服大家都是同一个合资企业的成员.物理学家或生物学家或数学家,他们相信简单的决定论的系统可以滋生复杂性;相信对传统数学来说过于复杂的系统仍然可能遵从简单规律;还有,不论他们的特殊领域如何,相信大家的任务都是去了解复杂性本身."(詹姆斯·格莱克,《混沌:开创新科学》,上海译文出版社,1990年,第321页)
    三,生命科学
    分子生物学和关于生命本质的探讨
    生命是什么 生和死的界限到底在哪里 这是一个自有人类以来就一直受其困扰的问题.在今天,虽说离最后的答案还有不小的距离,但是至少可以认为,20世纪分子生物学的出现,使这个问题完全纳入到现代科学的轨道上了.早在19世纪,恩格斯根据当时的科学认识,曾经说过:"生命是蛋白体的存在方式,这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断自我更新."至于蛋白体是什么,这在当时并不清楚,恩格斯本人对用"蛋白体"这个词来代表生命的基元也不满意,他认为,科学的发展会给出更合理的名称.
    20世纪上半叶,终于发现了作为生命基元之一的蛋白质,随后又发现了核酸.蛋白质和核酸都是分子量很大的分子,所以,通常叫做生物大分子.1953年,澳森和克里克发现DNA(脱氧核糖核酸)具有双螺旋结构.从此,一门新的学科——分子生物学诞生了.
    分子生物学的发展,使人们不但已经能够在分子水平上把握生物体的结构以及与功能有关的内部机制,如遗传与变异,物质代谢与能量代谢,生物体的调控等,而且有的生物大分子已能人工合成,有些生命过程可以在实验条件下再现,化学反应与生命活动之间的鸿沟日益变小.因此有人认为生命就是这些生物大分子的运动.另外,病毒的发现也使生命与分子的界限出现了某种程度的模糊.因为有的病毒,如口蹄疫病毒,比分子(如血红蛋白分子)还小;还有一种类病毒,只有核酸,没有蛋白质,比常见的病毒小几十倍,携带的信息很少,只能编码几十个氨基酸,可是在寄主中也能繁殖.那么病毒是不是生命呢 生命科学中出现的这些新情况使部分生物学家觉得生和死,生物和死物之间的界限模糊了,要回答什么是生命这个问题更困难了.例如,生物学家萨兹在他的《进化生物学》一书中说:"试图下个严格的生命定义不仅是无结果的,而且至少在目前是无意义的.";生物学家柯辛则在《生命起源》一书中说:"严谨的定义——既既要包括一切活的物质(过去的和现在的)以及排除一切非活的物质——是不可能的."
    在生命是什么这个问题上,除生物学家倾注了巨大的努力外,物理学家,化学家也同样给以了极大的关心.量子力学创始人之一薛定格,在1944年出版了一本题为《生命是什么——活细胞的物理学观》的小册子,在这本不到100页的书中,提出了一些极富启迪的思想和概念,他说:"一个生命有机体要活着,唯一的办法就是从环境中不断地汲取负熵.",有机体是"依赖负熵为生的.或者更确切地说,新陈代谢中本质的东西,乃是使有机体成功地消除了当它活着时不得不产生的全部的熵."在这里,薛定格第一次引入了负熵的概念.按照热力学第二定律,一个孤立系统的熵永远向着增大的方向发展以至系统越来越无序,但是生命体却是向着有组织,有序的方向发展的.薛定格正是抓住了生命的这一重要特征,把负熵和生命活动连在了一起.系统论的创始人贝塔朗菲在《生命问题》一书中称:"一个活的有机体是个开放的阶序系统,它借助于自身的条件,在交换成分中保持自身."
    运用现代物理及系统的思想研究生命现象有着深远的意义,是探索物理学与生物学统一的先驱.事实上,澳森和克里克正是在读了《生命是什么》后,才立志投身于分子生物学的研究.日本遗传学家近藤原平把《生命是什么》这本书的出版看成是生物学界革命的象征.
    当然,把生命现象和生命运动完全还原为物理化学现象和物理化学运动是不足取的.
    在生命本质的认识上,上节讨论过的复杂性科学将提供新的说明.圣达菲研究院的斯图亚特·考夫曼在他的《宇宙为家》一书中写道:"简言之,裸RNA和裸核糖体多聚物假说,对于我们观察到的所有自由细胞的最低限度复杂性没有给出一个深刻的描述.我坚持认为,我在第三章里描述的有序起源的原理还是说得通的.那个原理阐明,物质为什么必须达到某一特定的复杂性水平才能一跃而成为活物.这个临界值并不是随机变异和自然选择的事故;我坚持认为,它是生命本质的题中应有之义."(第55页)
    总之,在生命科学中运用还原方法的同时必须考虑生命现象的复杂性.因为,生命现象和生命运动确实有其自己的特点.首先,地球上的生命都是由核酸和蛋白质大分子为基础构成的.核酸(DNA和RNA)在生命整体和个体的延续中起信息载体的作用,蛋白质则起信息识别和功能表达的作用.其次,生命体总是不停地与环境发生着物质和能量的交换,这种交换及产生这种交换的机制就是新陈代谢,而且,如果交换物质和能量过程中得以降低自身的熵值(即从外界汲取负熵),生命就获得肯定性的发展,反之为否定性发展.第三,生命体具有遗传和变异的特性.第四,生命体是一个具有高度组织的开放系统,能接受并处理外界信息以及产生信息.第五,能自我调节,对环境具有适应性反应.最后,生命体是发生和死亡的统一,正是因为生命个体有生有死,才有生命整体的永恒不绝.
    这样,关于生命本质的目前认识可归结为:生命本质上是一个由核酸和蛋白质组合而成,具有自我更新能力的高度有序的对物质,能量,信息进行加工,处理,贮存的复杂多分子体系,它有自我调节,自我复制和对体内外环境作出选择性反应的属性.
    意识的本质
    关于意识的本质和对大脑的研究是生命科学中又一重要课题.大脑是产生意识的器官,意识的复杂性很大程度上是因为大脑的高度复杂性.人的大脑仅3-4磅重,但却包含着大约1000亿个神经原,这是一个与银河系中恒星总数在数量级上相同的天文数字.那么大脑的复杂性是否就因为有着如此多的神经原的缘故呢 当然不是这样.肝脏几乎同样有1000亿个细胞,但是,再多的肝脏合在一起也不能替代大脑丰富多彩的生命活动.脑的高度复杂性部分原因在于组成大脑的神经细胞的多样性.神经细胞分为神经元和神经胶质细胞.其中神经元,按照形态的差异有大锥体细胞,小锥体细胞,颗粒细胞,短轴突神经元及普顷野细胞等多种,按照其功能的不同又可区分为传入神经元,传出神经元和中间神经元.神经胶质细胞也有许多种类,如纤维星形胶质细胞,原浆星状胶质细胞,小胶质细胞,少突胶质细胞和室管膜细胞等.对于神经元来说,除了有不同的形态外还存在着分子的差异.而且,尽管所有的细胞都有相同的基因,但是在不同组织中的细胞对于基因的表达有不同的选择,目前已在视网膜的无长突细胞,小脑的普金基(Purkinje)氏细胞以及脊椎的运动神经元中见到了这类有选择表达的基因.除了结构和分子的差异外,神经元还有输入和投射的不同.
    在研究神经元的复杂性的同时,还发现了神经元具有同一性.同一性表现在功能相似的神经元都集合成柱状或板状而穿过皮层并且所有的神经元都以极为相似的方式传导信息.信息沿着轴突以动作电位的短促电脉冲形式在神
  • 简而言之就是研究宇宙诞生过程的学科.目前有两种理论
    标准宇宙模型: 大爆炸宇宙模型的基本观点是:迄今观测到的宇宙,起始于最初的一次大爆炸事件.那时,宇宙的温
    关于宇宙的形成和演化,尽管有不少理论,但是大爆炸宇宙模型能说明最多的观测事实,一般称为标准宇宙模型.
    大爆炸宇宙模型的基本观点是:迄今观测到的宇宙,起始于最初的一次大爆炸事件.那时,宇宙的温度极高,密度极大,体积极小.大爆炸使物质四散飞出,宇宙空间不断膨胀,温度也相应下降,后来相继出现在宇宙中的所有的星系,恒星,行星乃至生命等,总体上都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的.这被称为标准宇宙模型.
    宇宙大爆炸的基本轮廓被这样描述出来:大爆炸后最初几分钟内合成了氦和氘这类轻元素.大约几十万年后出了炽热火球,具有星系级能量的射电源的辐射呈现出由强到弱的演化趋势,许多遥远的星系都在以很高的速度彼此退行.不过,大爆炸宇宙论关于宇宙起始于一个微点的假设,至今仍未得到证实.大爆炸宇宙学的创始人为伽莫夫.
    您正在查看的1946年伽莫夫发表大爆炸理论,在此基础上形成的标准宇宙模型解释了众多观测事实
    暴涨理论:麻省理工学院的科学家阿伦·固斯提出,早期宇宙可能存在过一个非常快速膨胀的时期.这种膨胀叫做“暴涨”,意指宇宙在一段时间里,不像现在这样以减少的、而是以增加的速率膨胀.按照固斯理论,在远远小于1秒的时间里,宇宙的半径增大了100万亿亿亿(1后面跟30个0)倍.
    固斯提出,宇宙是以一个非常热而且相当紊乱的状态从大爆炸开始的.这些高温表明宇宙中的粒子运动得非常快并具有高能量.正如早先我们讨论的,人们预料在这么高的温度下,强和弱核力及电磁力都被统一成一个单独的力.当宇宙膨胀时它会变冷,粒子能量下降.最后出现了所谓的相变,并且力之间的对称性被破坏了:强力变得和弱力以及电磁力不同.相变的一个普通的例子是,当水降温时会冻结成冰.液态水是对称的,它在任何一点和任何方向上都是相同的.然而,当冰晶体形成时,它们有确定的位置,并在某一方向上整齐排列,这就破坏了水的对称.
    处理水的时候,只要你足够小心,就能使之“过冷”,也就是可以将温度降低到冰点(0℃)以下而不结冰.固斯认为,宇宙的行为也很相似:宇宙温度可以低到临界值以下,而没有使不同的力之间的对称受到破坏.如果发生这种情形,宇宙就处于一个不稳定状态,其能量比对称破缺时更大.这特殊的额外能量呈现出反引力的效应:其作用如同一个宇宙常数.宇宙常数是当爱因斯坦在试图建立一个稳定的宇宙模型时,引进广义相对论之中去的.由于宇宙已经像大爆炸模型那样膨胀,所以这宇宙常数的排斥效应使得宇宙以不断增加的速度膨胀,即使在一些物质粒子比平均数多的区域,这一有效宇宙常数的排斥作用超过了物质的引力吸引作用.这样,这些区域也以加速暴涨的形式而膨胀.当它们膨胀时,物质粒子越分越开,留下了一个几乎不包含任何粒子,并仍然处于过冷状态的膨胀的宇宙.宇宙中的任何不规则性都被这膨胀抹平,正如当你吹胀气球时,它上面的皱纹就被抹平了.所以,宇宙现在光滑一致的状态,可以是从许多不同的非一致的初始状态演化而来.
    在这样一个其膨胀由宇宙常数加速、而不由物质的引力吸引使之减慢的宇宙中,早期宇宙中的光线就有足够的时间从一个地方传到另一个地方.这就解答了早先提出的,为何在早期宇宙中的不同区域具有同样性质的问题.不但如此,宇宙的膨胀率也自动变得非常接近于由宇宙的能量密度决定的临界值.这样,不必去假设宇宙初始膨胀率曾被非常仔细地选择过,就能解释为何现在的膨胀率仍然是如此地接近于临界值.
    暴涨的思想还能解释为何宇宙存在这么多物质.在我们能观察到的宇宙里大体有1亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿(1后面跟80个0)个粒子.它们从何而来?答案是,在量子理论中,粒子可以从粒子/反粒子对的形式由能量中创生出来.但这只不过引起了能量从何而来的问题.答案是,宇宙的总能量刚好是零.宇宙的物质是由正能量构成的;然而,所有物质都由引力互相吸引.两块互相靠近的物质比两块分得很开的物质具有更少的能量,因为你必须消耗能量去克服把它们拉在一起的引力而将其分开.这样,在一定意义上,引力场具有负能量.在空间上大体一致的宇宙的情形中,人们可以证明,这个负的引力能刚好抵消了物质所代表的正能量,所以宇宙的总能量为零.
    零的两倍仍为零.这样宇宙可以同时将其正的物质能和负的引力能加倍,而不破坏其能量的守恒.在宇宙的正常膨胀时,这并没有发生.这时当宇宙变大时,物质能量密度下降.然而,这种情形确实发生于暴涨时期.因为宇宙膨胀时,过冷态的能量密度保持不变:当宇宙体积加倍时,正物质能和负引力能都加倍,总能量保持为零.在暴涨相,宇宙的尺度增大了一个非常大的倍数.这样,可用以制造粒子的总能量变得非常大.正如固斯所说的:“都说没有免费午餐这件事,但是宇宙是最彻底的免费午餐.”
    今天宇宙不是以暴涨的方式膨胀.这样,必须有一种机制,它可以消去这一非常大的有效宇宙常数,从而使膨胀率从加速的状态,改变为正如同今天这样由引力减慢下的样子.人们可以预料,在宇宙暴涨时不同力之间的对称最终会被破坏,正如过冷的水最终会凝固一样.这样,未破缺的对称态的额外能量就会释放,并将宇宙重新加热到刚好低于使不同力对称的临界温度.以后,宇宙就以标准的大爆炸模式继续膨胀并变冷.但是,现在找到了何以宇宙刚好以临界速率膨胀,并在不同的区域具有相同温度的解释.
  • 宇宙并非永恒存在而是从虚无创生的思想在西方文化中可以说是根深蒂固.虽然希腊哲学家曾经考虑过永恒宇宙的可能性,但是,所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的.
    象历史学家一样,宇宙学家意识到开启未来的钥匙在于过去.
    早在1929年,埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现,即不管你往哪个方向看,远处的星系正急速地远离我们而去.换言之,宇宙正在不断膨胀.这意味着,在早先星体相互之间更加靠近.事实上,似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻,它们刚好在同一地方,所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻,当时宇宙无限紧密.
    1950年前后,伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念.这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点,然后向四周的空气传播开去的那种爆炸,而是一种在各处同时发生,从一开时就充满整个空间的那种爆炸,爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔.事实上应该理解为空间的急剧膨胀."整个空间"可以指的是整个无限的宇宙,或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙.
    根据大爆炸宇宙论,甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着.这些气体在热平衡下有均匀的温度.这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志,因而称宇宙温度.气体的绝热膨胀将使温度降低,使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现.
    从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来,通过几十年的努力,宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史:
    大爆炸开始时 150-200亿年前,极小体积,极高密度,极高温度.
    大爆炸后10-43秒 宇宙从量子背景出现.
    大爆炸后10-35秒 同一场分解为强力、电弱力和引力.
    大爆炸后10-5秒 10万亿度,质子和中子形成.
    大爆炸后0.01秒 1000亿度,光子、电子、中微子为主,质子中子仅占10亿分之一,热平衡态,体系急剧膨胀,温度和密度不断下降.
    大爆炸后0.1秒后 300亿度,中子质子比从1.0下降到0.61.
    大爆炸后1秒后 100亿度,中微子向外逃逸,正负电子湮没反应出现,核力尚不足束缚中子和质子.
    大爆炸后13.8秒后 30亿度,氘、氦类稳定原子核(化学元素)形成.
    大爆炸后35分钟后 3亿度,核过程停止,尚不能形成中性原子.
    大爆炸后30万年后 3000度,化学结合作用使中性原子形成,宇宙主要成分为气态物质,并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块,直至恒星和恒星系统.
    大爆炸理论模型得到若干重要观测事实的支持:
    (1)星系距离越远退行速度越大
    大爆炸理论的科学性令人不得不信服.最直接的证据来自对遥远星系光线特征的研究.20年代,天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)研究了维斯托·斯里弗(Vesto Slipher)所作的观测.他注意到,远星系的颜色比近星系的要稍红些.哈勃仔细测量了这种红化,并作了一张图.他发现,这种红化是系统性的,星系离我们越远,它就显得越红.
    光的颜色与它的波长有关.在白光光谱中蓝光位于短波端,红光位于长波端.遥远星系的红化意味着它们的光波波长已稍微变长了.在仔细测定许多星系光谱中特征谱线的位置后,哈勃证实了这个效应.他认为,光波变长是由于宇宙正在膨胀的结果.哈勃的这个重大发现奠定了现代宇宙学的基础.
    膨胀中宇宙的性质使许多人困惑不解.从地球的角度来看,好象遥远的星系都正飞快地远离我们而去.但是,这并不意味着地球就是宇宙的中心.平均而言,宇宙不同地方的膨胀图像都是相同的.可以说每一点都是中心,又没有一点是中心.我们最好把它想象成星系间的空间在伸长或膨胀,而不是星系在空间中运动.这一点与我们日常生活中见到的源于一点的爆炸不同.
    空间可以伸长这一事实看上去似乎离奇古怪,不过这却是1915年爱因斯坦广义相对论发表以来科学家们早就熟知的概念.广义相对论认为,引力实际上是空间(严格地说是时空)弯曲或变形的一种表现.从某种意义上来说空间是有弹性的,可以按某种方式弯曲或伸长,具体情况取决于物质的排列.这个思想已为观测所充分证实.
    膨胀空间的基本概念可通过一项简单的模拟来加以理解.想象在一条松紧带上缝有一排钮扣.现在假定从松紧带的两端把它拉长,结果所有的钮扣都彼此远离.不论我们选择从哪个钮扣来看,它邻侧的钮扣似乎都在远离,而且这种膨胀是处处相同的,不存在特殊的中心.当然,我们在画这排钮扣时,它有一个中心钮扣,但这与系统的膨胀方式毫不相干.只要把这条带钮扣的松紧带无限加长,或环成一个圆圈,这个中心便不再存在了.
    从任意一个钮扣来看,离它最近的钮扣以某种速度退行,再下一个钮扣则以两倍数度退行,依此类推.在你看来,钮扣离得越远,它退行得越快.因此这种膨胀意味着退行速度与距离成正比-这是一个极为重要的关系.借助这个图像,我们现在就可想象出光波是如何在膨胀空间中或星系间传播的.当空间伸长时,光波波长也跟着变长,这就解释了宇宙学红移现象.哈勃发现,红移量与距离成正比,同这个简单的图像模拟结果完全一致.
    (2)3K宇宙微波背景辐射(1978年诺贝尔物理奖)
    早在四十年代末,大爆炸宇宙论的鼻祖伽莫夫认为,我们的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中,其温度约为6K.正如一个火炉虽然不再有火了,还可以冒一点热气.
    1964年,美国贝尔电话公司年轻的工程师-彭齐亚斯和威尔逊,在调试他们那巨大的喇叭形天线时,出乎意料地接收到一种无线电干扰噪声,各个方向上信号的强度都一样,而且历时数月而无边化.
    难道是仪器本生有毛病吗?或者是栖息在天线上的鸽子引起的?他们把天线拆开重新组装,依然接收到那种无法解释的噪声.这种噪声的波长在微波波段,对应于有效温度为3.5K的黑体辐射出的电磁波(它的谱与达到某种热平衡态的熔炉内的发光情况精确相符,这种辐射就是物理学家说熟知的"黑体辐射").他们分析后认为,这种噪声肯定不是来自人造卫星,也不可能来自太阳、银河系或某个河外星系射电源,因为在转动天线时,噪声强度始终不变.
    后来,经过进一步测量和计算.得出辐射温度是2.7K,一般称之为3K宇宙微波背景辐射.这一发现,使许多从事大爆炸宇宙论研究的科学家们获得了极大的鼓舞.因为彭齐亚斯和威尔逊等人的观测竟与理论预言的温度如此接近,正是对宇宙大爆炸论的一个非常有力的支持!这是继1929年哈勃发现星系谱线红移后的又一个重大的天文发现.
    宇宙微波背景辐射的发现,为观测宇宙开辟了一个新领域,也为各种宇宙模型提供了一个新的观测约束,它因此被列为20世纪60年代天文学四大发现之一.彭齐亚斯和威尔逊于1978年获得了诺贝尔物理学奖.瑞典科学院在颁奖决定中指出:这一发现,使我们能够获得很久以前宇宙创生时期所发生的宇宙过程的信息.
    (3)宇宙氦丰度
    最后还有一个证实炽热高密度宇宙起源理论的证据.只要知道今天热辐射的温度,由热大爆炸理论很容易计算出宇宙诞生后约1秒时各处的温度约为100亿度,这对现有的原子核的合成来说也是太高了.那时物质必定被撕裂成最基本的成分,形成一锅基本粒子汤,诸如质子、中子和电子.但是,随着这锅汤变冷,核反应就可能出现了.特别是,中子和质子就很容易成对聚合在一起.接下来,这些粒子
  • 1929年,天文学家哈勃公布了一个震惊科学界的发现.这个发现在很大程度上导致这样的结论:所有的河外星系都在离我们远去.即宇宙在高速地膨胀着.这一发现促使一些天文学家想到:既然宇宙在膨胀,那么就可能有一个膨胀的起点.天文学家勒梅特认为,现在的宇宙是由一个“原始原子”爆炸而成的.这是大爆炸说的前身.俄裔美国天文学家伽莫夫接受并发展了勒梅特的思想,于1948年正式提出了宇宙起源的大爆炸学说.
    伽莫夫认为,宇宙最初是一个温度极高、密度极大的由最基本粒子组成的“原始火球”.根据现代物理学,这个火球必定迅速膨胀,它的演化过程好像一次巨大的爆发.由于迅速膨胀,宇宙密度和温度不断降低,在这个过程中形成了一些化学元素(原子核),然后形成由原子、分子构成的气体物质.气体物质又逐渐凝聚成星云,最后从星云中逐渐产生各种天体,成为现在的宇宙.
    这种学说一般人听起来非常离奇,不可思议.在科学界,也由于这个学说缺乏有力的观测证据,因而在它刚刚问世时,并未予以普遍的响应.
    到了1965年,宇宙背景辐射的发现使大爆炸说重见天日.原来,大爆炸说曾预言宇宙中还应该到处存在着“原始火球”的“余热”,这种余热应表现为一种四面八方都有的背景辐射 .特别令人惊奇的是 ,伽莫夫预言的“余热”温度竟恰好与宇宙背景辐射的温度相当.另一方面,由于有关的天文学基本数据已被改进,因此根据这个数据推算出来的宇宙膨胀年龄,已从原来的50亿年增到100—200亿年,这个年龄与天体演化研究中所发现的最老的天体年龄是吻合的.由于大爆炸说比其他宇宙学说能够更多、更好地解释宇宙观测事实,因此愈来愈显示出它的生命力.
  • 早在1929年,埃德温.哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现,即不管你往
    哪个方向看,远处的星系正急速地远离我们而去.换言之,宇宙正在不断膨胀.
    这意味着,在早先星体相互之间更加靠近.事实上,似乎在大约100 亿至200
    亿年之前的某一时刻,它们刚好在同一地方,所以哈勃的发现暗示存在一个叫做
    大爆炸的时刻,当时宇宙无限紧密.
    1950年前后,伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念.这个创生宇宙的大爆炸
    不是习见于地球上发生在一个确定的点,然后向四周的空气传播开去的那种爆炸,
    而是一种在各处同时发生,从一开时就充满整个空间的那种爆炸,爆炸中每一个
    粒子都离开其它每一个粒子飞奔.事实上应该理解为空间的急剧膨胀." 整个空
    间" 可以指的是整个无限的宇宙,或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原
    来位置的有限宇宙.
    根据大爆炸宇宙论,甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温
    度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着.这些气体在热平衡下有均匀的温度.
    这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志,因而称宇宙温度.气体的绝热膨
    胀将使温度降低,使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现.
    从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来,通过几十年的努力,宇宙学家们
    为我们勾画出这样一部宇宙历史:
    大爆炸开始时 150-200 亿年前,极小体积,极高密度,极高温度.
    大爆炸后10-43 秒宇宙从量子背景出现.
    大爆炸后10-35 秒同一场分解为强力、电弱力和引力.
    大爆炸后10-5秒 10 万亿度,质子和中子形成.
    大爆炸后0.01秒 1000 亿度,光子、电子、中微子为主,质子中子仅占10亿
    分之一,热平衡态,体系急剧膨胀,温度和密度不断下降.
    大爆炸后0.1 秒后 300亿度,中子质子比从1.0 下降到0.61.大爆炸后1 秒
    后 100亿度,中微子向外逃逸,正负电子湮没反应出现,核力尚不足束缚中子和
    质子.
    大爆炸后13.8秒后 30 亿度,氘、氦类稳定原子核(化学元素)形成.
    大爆炸后35分钟后 3亿度,核过程停止,尚不能形成中性原子.
    大爆炸后30万年后 3000 度,化学结合作用使中性原子形成,宇宙主要成分
    为气态物质,并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块,直至恒星和恒
    星系统.
    但也有人认为红移是引力产生的,即由途中引力红移,而非多普勒效应,如是这样则宇宙大爆炸理论的基础就可能站不住脚,即其它星系不是离我们而去的
  • 哈勃
    早在1929年,埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现,即不管你往哪个方向看,远处的星系正急速地远离我们而去.换言之,宇宙正在不断膨胀.这意味着,在早先星体相互之间更加靠近.事实上,似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻,它们刚好在同一地方,所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻,当时宇宙无限紧密.
  • 《热大爆炸宇宙学给出了怎样的宇宙前景》全文共16869字

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