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系统的稳定性是存在的基础

2019-01-04

系统的三大原则要求系统和子系统要保持自身的稳定和存在。

系统的存在假设是比较明显的,但是对于系统的稳定性要求就不那么明显了。

系统的存在与稳定其实是相互关联的。越稳定的系统存在的时间越长,越不稳定的系统崩溃的越快。

系统的存在不是主观的要求,而是由于适应外界环境才能存在下来的,那些不能适应的系统都崩溃了。

宇宙中只有1级质子和中子系统,2级原子系统,3级分子系统在137亿年的宇宙历史中存在了下来,大部分系统都消失了。这与地球上生物的进化史差不多的,系统也遵守进化论,适者生存,弱肉强食。

系统的弱肉强食表现在同一级的系统之间的竞争,因为需要同一种能量来维持自身的存在,所以存在竞争。而竞争胜利的奥秘就在于以系统来和子系统争夺能量,也就是团结起来才能获得更多的能量。

系统是动态的平衡,为此就需要消耗能量来维持这种运动状态,也就需要从外界获取能量来补充消耗。系统的存在时间主要就是由获取能量和消耗能量的平衡决定的。

稳定性就是获取能量和消耗能量的规则要固定不变,规则越复杂越不容易进入稳定态。

下面以宇宙的演化为例来看系统稳定和子系统适应外界的环境存在下来,62种基本粒子中最终能存在下来的没有几个,而由3个夸克组成的唯一稳定的重子只有质子,中子假如不与其它中子或者质子一起组成原子核的话不稳定,会衰变。直到质子,中子和电子组成了稳定的原子结构,宇宙才得以稳定,生命才能在这个稳定的环境中产生。

大爆炸宇宙假设

宇宙学家通常所指的大爆炸观点为:宇宙是在过去有限的时间之前,由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的(根据2010年所得到的最佳的观测结果,这些初始状态大约存在于133亿年至139亿年前),并经过不断的膨胀与繁衍到达今天的状态。

大爆炸理论最早也最直接的观测证据包括从星系红移观测到的哈勃膨胀、对宇宙微波背景辐射的精细测量、宇宙间轻元素的丰度(参见太初核合成),而今大尺度结构和星系演化也成为了新的支持证据。这四种观测证据有时被称作“大爆炸理论的四大支柱”。

在宇宙诞生的最初几天里,宇宙处于完全的热平衡态,并伴随有光子的不断吸收和发射,从而产生了一个黑体辐射的频谱。其后随着宇宙的膨胀,温度逐渐降低到光子不能继续产生或湮灭,不过此时的高温仍然足以使电子和原子核彼此分离。因而,此时的光子不断地被这些自由电子“反射”,这一过程的本质是汤姆孙散射。由于这种散射的持续存在,早期宇宙对电磁波是不透明的。当温度继续降低到几千开尔文时,电子和原子核开始结合成原子,这一过程在宇宙学中称为复合。

由于光子被中性原子散射的几率很小,当几乎所有电子都与原子核发生复合之后,光子的电磁辐射与物质脱耦。这一时期大约发生在大爆炸后三十七万九千年,被称作“最终的散射”时期。这些光子构成了可以被今天人们观测到的背景辐射,而观测到的背景辐射的涨落图样正是这一时期的早期宇宙的直接写照。随着宇宙的膨胀,光子的能量因红移而随之降低,从而使光子落入了电磁波谱的微波频段。微波背景辐射被认为在宇宙中的任何一点都可被观测,并且在各个方向上都(几乎)具有相同的能量密度。

2000年至2001年间,以毫米波段气球观天计划为代表的多个实验通过测量这种各向异性的典型角度大小,发现宇宙在空间上是近乎平直的。

此外,WMAP还证实了有一片“中微子海”弥散于整个宇宙,这清晰地说明了最早的一批恒星诞生时曾经用了约五亿年的时间才形成所谓宇宙雾,从而开始在原本黑暗的宇宙中发光。

用大爆炸模型可以计算氦-4、氦-3、氘和锂-7等轻元素相对普通氢元素在宇宙中所占含量的比例。所有这些轻元素的丰度都取决于一个参数,即早期宇宙中辐射(光子)与物质(重子)的比例,而这个参数的计算与微波背景辐射涨落的具体细节无关。大爆炸理论所推测的轻元素比例(注意这里是元素的总质量之比而非数量之比)大约为:氦-4/氢= 0。25,氘/氢= 10^-3,氦-3/氢= 10^-4,锂-7/氢= 10^-7。将实际测量到的各种轻元素丰度和从光子重子比例推算出的理论值两者比较,可以发现至少是粗略符合。其中理论值和测量值符合最好的是氘元素,氦-4的理论值和测量值接近但仍有差别,锂-7则是差了两倍,即对于后两种元素的情形存在着明显的系统随机误差。尽管如此,大爆炸核合成理论所预言的轻元素丰度与实际观测可以认为是基本符合,这是对大爆炸理论的强有力支持。

现代观测发现宇宙加速膨胀之后,人们意识到现今可观测的宇宙越来越多的部分将膨胀到我们的事件视界以外而同我们失去联系,这一效应的最终结果还不清楚。在ΛCDM模型中,暗能量以宇宙学常数的形式存在,这个理论认为只有诸如星系等引力束缚系统的物质会聚集,并随着宇宙的膨胀和冷却它们也会到达热寂。对暗能量的其他解释,例如幻影能量理论则认为最终星系群、恒星、行星、原子、原子核以及所有物质都会在一直持续下去的膨胀中被撕开,即所谓大撕裂。

有人想问,宇宙之外是什么?其实宇宙之外连最基本的时间和空间都没有,所以就什么都没有(平行宇宙和我们的宇宙一样,是一个宇宙)。因此,才出现了时间和空间的增加这一说法。随着宇宙的时间和空间的增加,物质也相应地在增加(就像宇宙大爆炸后,随着时间和空间的诞生,物质也在不断地生成)。因为增加的物质不可能出现在现有的物质上,所以宇宙中没有物质的部分,物质就会不断地生成和增加。增加的物质产生了引力,从而把一些天体拉向这些物质,出现了两个天体互相远离的情况(红移)。但由于时间和空间的增加速度比物质的增加速度快得多,到后期宇宙中的正物质会被全部泯灭暗物质。尽管不断增加的物质中有三分之一会是正物质,但生成后仍然会很快被泯灭成暗物质。在全部正物质都消失后,宇宙中就会只剩下极其稀薄暗物质和反物质。

大爆炸

当暴涨结束后,构成宇宙的物质包括夸克-胶子等离子体,以及其他所有基本粒子。此时的宇宙仍然非常炽热,以至于粒子都在做着相对论性的高速随机运动,而粒子-反粒子对在此期间也通过碰撞不断地创生和湮灭,从而宇宙中粒子和反粒子的数量是相等的(宇宙中的总重子数为零)。直到其后的某个时刻,一种未知的违反重子数守恒的反应过程出现,它使夸克和轻子的数量略微超过了反夸克和反轻子的数量——超出范围大约在三千万分之一的量级上,这一过程被称作重子数产生。这一机制导致了当今宇宙中物质相对于反物质的主导地位。

随着宇宙的膨胀和温度进一步的降低,粒子所具有的能量也普遍逐渐下降。当能量降低到1太电子伏特(1012eV)时产生了对称破缺,这一相变使基本粒子和基本相互作用形成了当今我们看到的样子。宇宙诞生的10^-11秒之后,大爆炸模型中猜测的成分就进一步减少了,因为此时的粒子能量已经降低到了高能物理实验所能企及的范围。10^-6秒之后,夸克和胶子结合形成了诸如质子和中子的重子族,由于夸克的数量要略高于反夸克,重子的数量也要略高于反重子。

此时宇宙的温度已经降低到不足以产生新的质子-反质子对(类似地,也不能产生新的中子-反中子对),从而即刻导致了粒子和反粒子之间的质量湮灭,这使得原有的质子和中子仅有十亿分之一的数量保留下来,而对应的所有反粒子则全部湮灭。大约在1秒之后,电子和正电子之间也发生了类似的过程。经过这一系列的湮灭,剩余的质子、中子和电子的速度降低到相对论性以下,而此时的宇宙能量密度的主要贡献来自湮灭产生的大量光子(少部分来自中微子)。

在大爆炸发生的几分钟后,宇宙的温度降低到大约十亿开尔文的量级,密度降低到大约空气密度的水平。少数质子和所有中子结合,组成氘和氦的原子核,这个过程叫做太初核合成。而大多数质子没有与中子结合,形成了氢的原子核。随着宇宙的冷却,宇宙能量密度的主要来自静止质量产生的万有引力的贡献,并超过原先光子以辐射形式的能量密度。在大约37.9万年之后,电子和原子核结合成为原子(主要是氢原子),而物质通过脱耦发出辐射并在宇宙空间中相对自由的传播,这个辐射的残迹就形成了今天的宇宙微波背景辐射。

虽然宇宙在大尺度上物质几乎均一分布,但仍存在某些密度稍大的区域,因而在此后相当长的一段时间内这些区域内的物质通过引力作用吸引附近的物质,从而变得密度更大,并形成了气体云、恒星、星系等其他在今天的地理天文学上可观测的结构。这一过程的具体细节取决于宇宙中物质的形式和数量,其中形式可能有三种:冷暗物质、热暗物质和重子物质。来自WMAP的目前最佳观测结果表明,宇宙中占主导地位的物质形式是冷暗物质,而其他两种物质形式在宇宙中所占比例不超过18%。另一方面,对Ia型超新星和宇宙微波背景辐射的独立观测表明,当今的宇宙被一种被称作暗能量的未知能量形式主导着,暗能量被认为渗透到空间中的每一个角落。观测显示,当今宇宙的总能量密度中有74%的部分是以暗能量这一形式存在的。

如前所述,目前还没有广泛支持的模型能够描述大爆炸后大约10^-15秒之内的宇宙,一般认为需要一个统合广义相对论和量子力学的量子引力理论来突破这一难题。如何才能理解这一极早期宇宙的物理图景是当今物理学的最大未解决问题之一。

粒子与物质形成过程

宇宙最开始,没有物质只有能量,大爆炸后物质由能量转换而来(质能转换E=mcc),当代粒子物理学告诉我们,在足够高的温度下(称为“阈温”),物质粒子可以由光子的碰撞产生出来。

宇宙大爆炸的描述

1、 大爆炸——∞K——量子涨落(现有科学理论无法描述这个时间的宇宙状态)

2、 普朗克时间——10^32 K——GUT大统一/第一次对称破缺

3、 10^-35秒——10^28 K——暴胀、弱电统一、夸克-反夸克主导时期

4、 10^-10秒——10^15 K——轻子(12种)形成

5、 0.01秒——10^11K——重子形成,质子是唯一独立稳定的重子。

6、 0.1秒——3×10^10K——中子衰变

7、 1秒——10^10K——质子/中子被强核力束缚形成氘核

8、 13.8秒——3×10^9K——氢核聚变成其它重原子核

9、 3分钟——10^9K——物质和辐射耦合在一起

10、300000年——3000K——电子和核束缚在一起,物质和辐射去耦

11、10亿年——3000K——恒星形成

(值得注意的是,不同质量的恒星能引发的核聚变程度不同,太阳主要为氢—氦聚变,重一点的会引发碳—氧—镁聚变,再重的会引发下一轮聚变。总的顺序简略依次为:氢,氦,碳,氧,镁,硅,铁。但无论恒星多重,最终的聚变结果只能是铁,恒星内部不能产生比铁更重的原子核!)

凡是元素周期表上有的(除人造元素外),都是在恒星大炼炉里形成的,铁以后的原子核,只能在超爆中产生。

12、100亿年——10K——原子链接形成有机分子

13、120亿年——3K——生命形成

14、120年~150亿年——2.7K——生物进化

15、10^18年——10^-7K——黑洞-霍金辐射主导时期

16、10^24年~10^32年——10^-15K——质子衰变

17、10^100年——0K——黑洞衰变/热寂

大爆炸宇宙模型也同样存在着许多尚待解决的疑难,它终究还只是一种假说。

11维宇宙模型

10维超弦结构图

9维电弱同一场

26维宇宙结构图

宇宙的无论宇宙大爆炸假设是否正确,肯定的是宇宙是一个动态平衡的系统,绝对不是一个静态稳定的系统。但是宇宙的规则是稳定的,构成物质的原子是稳定的。而静态稳定的系统是不可能出现生命的,规则不稳定的宇宙也不会出现生命。所以可以说稳定是存在的基础。

从现在的宇宙理论来看,宇宙是一个封闭系统,孤立系统,那么宇宙的结局只有一个,就是毁灭,系统崩溃。至于将来是否能发现宇宙是开放系统,自循环系统的可能本文不做讨论,有兴趣的读者可以自己思考。

封闭,孤立的宇宙的结局会如何呢?

一是重新收缩回到奇点,毁灭一切以后开始下一个宇宙的膨胀。

二是继续膨胀直到质子和中子都衰变,宇宙进入死寂状态,熵达到最大。

三是人类的梦想状态,宇宙一直膨胀,新的粒子不断生成,人类永远幸福的生存下去,而且拥有无限的能量可以挥霍。

可惜第三个可能尚没有明确的科学依据,只能是人类的美好想象。

人类文明能做的就是创建一个稳定的系统,才能在外界环境发生变化时有更多的手段来应对,保持人类文明继续存在下去。

为此人类文明还有很遥远的路要走,一个稳定的系统要满足系统三大原则,满足逻辑性,也就是独立性,相容性,完整性。

独立性要求人类文明能在宇宙的各种环境下生存,对能量的需求要尽量的少,内部消耗的能量也要尽量少。

相容性要求人类文明与其他生物能和平共处,包括地球的生物和外星生物(如果存在)。

完整性要求人类文明具有统一的三观,全部自觉以维持人类文明存在为最高准则,没有例外。

再次强调稳定的系统,不是要求系统永远不变,而是随机应变,是动态的稳定。越是稳定的系统越能在外界环境变化时改变自身来继续存在下去。

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