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皇帝新脑-第67章

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  从什么地方来提供这些低熵呢?如果我们吃的食物刚好是肉(或蘑菇!),那它正如我们一样要依赖于更外部的低熵源去提供和维持其低熵结构。这只不过把我们外部的低熵源的问题推到其他的地方。这样,让我们假定我们(或动物或蘑菇)消化植物。我们因为绿色植物的巧妙――不管是直接的或是间接的――而必须极其感谢它:因它吸收大气的二氧化碳,把氧气从碳中分离开来,而利用碳来建造它们自身的结构。这一光合作用的过程导致大量的熵降低。我们自己实际上在身体内把氧和碳重新简单地结合,用这种办法利用低熵的这种分离。绿色植物为什么能实现熵降的魔术呢?它们是利用阳光来实现的。阳光给地球带来了相当低熵形式的能量,即是可见光光子的能量。地球,包括它上面的居住者,不能保留此能量,而是(过了一阵)就把它全部重新辐射回到太空去。然而重新幅射的能量具有高熵的形式并被称为“辐射热”――它表明是红外光子。和普遍的印象正相反,地球(和居住者)并不从太阳获得能量!地球所进行的只不过是取来低熵形式的能量,然后以高熵的形式全部把它吐回到太空去(图7。7)。太阳对我们所做的是给我们提供了巨大的低熵源。我们(通过植物的巧妙功能)利用了这些低熵,最终抽取某一极小的部分将其转换成惊人的、错综复杂的、有组织的结构,这就是我们自身。图7。7我们如此利用这事实:太阳是黑暗太空中的一个热点。

  让我们以整体的观点考虑太阳和地球,能量和熵发生了什么变化?太阳以可见光光子的形式辐射能量。其中有一些被地球所吸收,它们的能量以红外光子的形式被重新辐射。现在,在可见光和红外光之间的关键差别在于前者有一个高频,所以单独光子比后者有更高的能量。(回忆一下在265页给出的普郎克公式E=hv。它告诉我们,光子的频率越高则能量越大。)由于每一可见光子比每一红外光子具有更高的能量,为了使进入地球的和离开地球的能量相平衡,只能有比离开地球的红外光子的数目更少的可见光子到达地球。地球吐回到太空去的能量被分散到比从太阳接收到的能量的多得多的自由度去。由于把能量再送回太空时牵涉到多得这么多的自由度,相空间的体积变得大得多,所以熵值就被极大地增加。绿色植物吸收低熵形式的能量 (相对少量的可见光子) 而重新把它以高熵形式 (相对多量的红外光子)辐射,为我们提供了所需要的分解的氧和碳,以这种方法把低熵喂给我们。

  所有这一切之所以可能的原因是,太阳为天空中的一个热点!天空处于温度不平衡的状态;它的一个小区域亦即太阳占据的地方,比其他地方的温度高得多得多。这个事实为我们提供了所需要的强大的低熵源。地球从这一个热点得到低熵形式(少量光子)的能量,然后以高熵的形式(许多光子)重新辐射到冷的区域去。

  太阳为什么是这样的一个热点呢?如何才能得到这个温度的不平衡,并因此为我们提供低熵态呢?答案是它从原先均匀分布的气体(主要是氢气)的引力收缩形成的。在其形成的早期阶段,当它收缩时,太阳被加热上去。在到它的温度和压力达到一定点之前,也即除了引力收缩外,它还找到另一种叫作热核反应的能源,它会继续收缩并变得更热。热核反应使氢核聚变成氦核,并同时释放能量。如果没有热核反应,太阳会变得比目前的更热得多和小得多,直到最终消逝。热核反应使太阳不再继续收缩以免过热,从而使它稳定在适合于我们的温度上,能在更长久的时间里持续发光,否则的话早已熄灭。意识到这一点是很重要的。虽然热核反应在决定从太阳辐射来的能量的性质和多少方面无疑极具意义,但是引力才是关键之所在。(事实上,热核反应的潜力对太阳的低熵值的确有高度的贡献,但是聚变的熵引起了微妙的问题,更充分的讨论,只使论证更为复杂,而不影响最终的结论。)3没有引力,甚至太阳根本就不会存在!没有热核反应太阳仍然发光――虽然不以适合我们的方式――但是没有引力就根本没有发光的太阳,的确需要引力来聚合物质,并提供所需要的温度和压力。若无引力,代替太阳之处我们只会有一团冷而弥散的气体,在天空中不会有热点!我未讨论到地球内“化石燃料”中的低熵来源,但是其考虑基本上是一样的。根据传统理论,地球上所有的油(和天然气)是来自于史前植物的生命,又是植物被当作低熵的来源。这些史前植物从太阳得到它们的低熵――所以我们应该再次转向把弥散气体变成太阳的引力作用。 托玛斯?高尔德提出了地球上石油起源的逆经叛道的理论。他不同意传统的观点,认为地球上存在比史前植物产生的更丰富得多的碳氢化合物。高尔德认为,油和天然气是在地球形成时被包含在地球内的,并一直连续地渗透出来直到下层的矿穴4。根据高尔德的理论,油在地球形成之前,即使在外空仍然是由阳光合成的。这又是起源于引力形成的太阳。

  用于核电站的铀235同位素的低熵核能量又如何呢?这的确不是原先从太阳(虽然在某阶段它也可能通过太阳),而是从某些其他的恒星来的。这些恒星在几十亿年前的一次超新星爆发中爆炸!这些物质实际上是从许多这类爆炸的恒星中聚集起来的。爆发把这些物质从恒星中吐到太空去,其中一些最终(通过太阳的作用)被聚集在一块,并把重元素提供给地球,包括它所有的铀235。每一个核子以及其低熵能量的贮藏是来自于发生在某次超新星爆发的激烈的核过程中。这种爆发是发生于恒星的引力坍缩5的余波。当恒星的质量过大,以至于热压力不能支持其自身时就会坍缩。一个小的核――可能以所谓的中子星的形式(后面还要更详细地讨论)在坍缩和紧随着的爆发之后残存下来。恒星原先是从弥散的气体云收缩而来,包括我们的铀235的许多原始物质又都被抛回到太空中去。残留下的中子星从引力收缩中得到了巨大的熵。引力再次成为最主要原因――这一次它把弥散的气体凝聚成(过程最终是激烈的)一个中子星。

  我们似乎得出这样的结论,第二定律中最令人困惑的方面即所有在我们四周发现的明显的低熵,应归结于这样的一个事实,即通过弥散气体引力收缩成恒星的过程中可得到大量的熵。所有这些弥散气体从何而来?这些气体从弥散状态开始的这一事实为我们提供了大量的低熵贮藏。我们正在消耗这种低熵的贮藏,并将在未来的漫长岁月里继续如此。正是这些气体引力结团的潜力给我们带来了第二定律。此外,不仅仅是引力结团产生的第二定律, 而且还有比下面简单陈述更精密和细致得多的某种东西: “世界是从非常低的熵开始的。”我们还可以用其他不同的方式得到“低”的熵,也就是说在早期的宇宙中有巨大的“显明有序”,但是这和在实际上呈现给我们的“有序”完全不同。(想象早期宇宙也许是正规的十二面体――这或许会投合柏拉图的心意――或者是其他某种不像会发生的几何形状。这的确是“显明有序的”,但并非我们预期在实际的早期宇宙中所发现的那种形状!)我们必须理解所有这些弥散气体从何而来――为此,我们必须转向宇宙论的研究。宇宙论和大爆炸我们如果使用最强大的望远镜――不管是光学的还是射电的,就会发现宇宙在非常大的尺度下显得相当均匀;但是更惊人的事实是,它正在膨胀。我们观测得越远,则遥远星系(以及甚至更远的类星体)就显得越快速地从我们这里离开。似乎宇宙本身是从一个巨大的爆炸事件中产生――这一个事件称作大爆炸,它发生在大约一百亿年以前①。所谓的黑体背景辐射对于宇宙的均匀性以及大爆炸的实际存在提供了印象深刻的支持。它就是一种光的杂乱运动,而且是分辨不出来源的热辐射――其温度大约为2。7°绝对温度(2。7开尔芬),也就是摄氏…270。3°和华氏…455。5°。这似乎是非常冷的温度――也的确如此――但是它乃是大爆炸本身的那一瞬间的残留!因为从大爆炸的时刻以来,宇宙膨胀了这么巨大的因子,原始火球以一绝对巨大的因子发散开来。大爆炸的温度远远超过现在所能发生的温度,但是由于膨胀,该温度被冷却到今天微波背景所具有的微小的数值。1948年,俄国――美国物理学家和天文学家乔治?伽莫夫用现今标准的大爆炸图像作基础预言了这个背景的存在。在1965年彭齐亚斯和威尔逊首次(意外地)观测到它。图7。8宇宙的膨胀可以比喻成被吹胀的气球表面,所有的星系都相互远离。我应该阐释经常给人们带来困惑的一个问题。如果宇宙中所有的远处星系都离开我们而去,是不是意味着我们自身在宇宙中占据着某种非常特别的中心位置呢?不,不是这样!不管我们位于宇宙中的何处,都会看到远处星系的同样的退缩。该膨胀在大尺度上是均匀的,没有一个位置比其他的更优越。通常可以用被吹胀的气球来描绘这种情景(图7。8)。假定在气球上存在代表不同星系的斑点,取气球本身的二维表面代表整个三维类空的宇宙。可以清楚地看到,所有气球上其他的点都从气球上的每一点退走。在这个方面,气球上没有一点比其他点更优越。类似地,从宇宙中的任何一个星系的有利地点来看,所有其他的星系在任何方向都同等地从它那里退走。图7。9具有欧几里德空间截面的膨胀宇宙的空间――时间图(画出了空间的两维)。① 
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