物质的最后一道防线

生命总是和光明相伴,死亡常常与黑暗相连。宇宙诞生之初是光明的,那是一个夸克-胶子等离子体的时代,在短暂的几分钟内,夸克形成了原子。而重子物质与光子脱耦后形成了分子。随着宇宙的膨胀和冷却,物质的密度越来越低,变得不再发光。然而,引力却将物质聚拢成团,当物质密度和温度因为挤压高到一定程度的时候产生了恒星,并再次点亮了宇宙。恒星是第二代光子诞生的地方,也为恒星周围的行星带来了可以维持生命新陈代谢所需的能量。这样,光明就带来了生命。恒星的高能量光子被生命利用后产生了大量低能光子,这样,宇宙的熵或者无序度在这个过程中不断升高,也就是说,生命的维系是以宇宙的无序为代价的。

然而,物极必反,引力不仅可以产生光明,也可以毁灭光明。一颗恒星燃烧了大量的氢和氦之后,在生命的最后一刻以超新星的形式爆炸,并剩下了一颗极小的天体。对于太阳质量的恒星,恒星死亡后剩下的“遗骸”将通过所谓的“电子简并压”来对抗强大的引力进而维持其内部平衡。 电子简并压是由两个电子不能处在同一个量子态,即所谓“泡利不相容”原理,所产生的压力。当电子简并压也无法抵抗引力的时候,引力就会将电子挤压进质子内部,进而形成中子。于是整个天体都由中子构成,形成所谓的“中子星”,以中子兼并压来抗衡引力。一颗十公里半径的中子星质量大约是整个太阳的质量,足见其密度之高。更大质量的“遗骸”内部的引力甚至可以进一步挤压中子,使得中子被解构成夸克,形成所谓的“奇异夸克”所组成的“奇异星”或者“夸克星”。于是,整颗夸克星都可以视为一个中子。当物质密度进一步增加,夸克之间的强相互作用力也不足以抗衡引力,整个天体将进一步塌缩为黑洞,时空被黑洞强大的引力所撕裂,以至于光子也无法逃逸。所以,夸克星是物质抗衡引力的最后一道防线,如果这道防线崩溃,光明将重新被黑暗所取代。

中子星想象图

我在漫长的宇宙旅途中曾见过一颗中子星。它的表面极其光滑,旋转速度极快,自转周期只有1毫秒,赤道区域的速度可达到20%的光速。它就像一根磁铁,两个磁极所产生的磁场可达到1万亿高斯,相当于太阳磁场的10亿倍,如此超高强度的磁场加速带电粒子,在磁极处产生高度准直的射电辐射,这些射电辐射像探照灯一样扫描整个宇宙,也许在某一处被智慧生命所发现,这就是“脉冲星”这类称谓的由来。当一个系统里面有两颗中子星的时候,它们之间的绕转将扰动时空,产生时空涟漪,即所谓的“引力波”。引力波将带走双中子星轨道运动的能量,使得中子星的轨道周期慢慢变短,中子星脉冲的时间间隔也将随之变短。所以,通过精确测量中子星的脉冲时间就可以“看见”时空中极其微弱的涟漪。

中子星周围也许有行星,但是这样的行星将被极高能量的X射线所轰击,不太可能适合生命的繁衍。于是,引力在由弱变强的过程中,只在行星和恒星这样的天体系统中孕育了生命。光明、生命以及生命所需的能量和信息交换也只有在这样一种适中的引力环境中才能实现。宇宙就这样在引力和物质的平衡中形成了丰富的结构,多样的环境和复杂的生命。

至尊戒引众戒,禁锢众戒黑暗中

当我被第一代恒星耀眼的光芒环绕的时候,突然看到一颗巨大的恒星爆炸,它所产生的巨大冲击波吹散了我周围所有的物质,并产生了超高能量的伽马射线和X射线,这是我第一次在宇宙中看到如此壮观的场面,也是在宇宙诞生以来第一次遇见如此高能的光子。这颗恒星爆炸后剩下了一个很小很小的黑暗区域,谁也不知道里面是什么。我仔细查看这个黑洞,发现在其周围有一个光圈,另外一些闯入黑洞内部的光子则被囚禁乃至被黑洞吞噬。此情此景让我惊叹不已。在我眼里如此耀眼的一颗巨星居然陨落为至极的黑暗,从光明的给予者沦为黑暗的掠夺者。然而,并非所有恒星都有此结局,下面就让我来讲讲不同恒星的结局吧。

宇宙第一代恒星的光辉是短暂的,因为它们核心区域的温度和密度极高,使得核聚变快速消耗掉大量的轻元素,最终核聚变所产生的辐射压无法抵抗恒星的引力压,导致恒星开始塌缩。塌缩过程中引力能转化为热能,强大的热压使得恒星膨胀为红巨星。对于一个太阳大小或者更小的恒星,它们的内核将消耗轻元素产生重元素,而当碳和氧在核心区大量产生的时候,核心区的温度不足以将这些稳定的元素聚变为其他更重的元素,于是核心区不能在引力作用下进一步塌缩。这样,这些恒星的外壳被剥离后剩下的内核所形成的天体就是所谓的“白矮星”,大概只有恒星原始质量的20%左右。这些白矮星不是通过核聚变所产生的辐射压乃是通过电子简并压抗衡引力,它们由于没有核聚变产生的辐射将慢慢变暗,直到不能被肉眼看见。电子简并压是基于量子力学的不确定性原理,即粒子的位置和动量不能同时被精确测量而产生的一种抗衡引力的斥力。当白矮星在引力作用下被挤压的时候,电子位置越来越确定,这样电子动量将越来越不确定,其对应的“海森堡”速度将贡献压力来抗衡引力,阻止白矮星的进一步塌缩。

银河系中心的X射线和红外图像以及由视界望远镜(EHT)用射电望远镜阵列拍摄的黑洞视界图像(右上)

更大质量的恒星的引力塌缩将导致更重元素的形成。当恒星核心区聚变形成了大量铁的时候,由于铁是最稳定的元素,无法聚变成为其他元素,铁核的温度将达到几千亿度。此时巨大的压力和温度将使得电子被挤压与质子结合为中子,这个过程所释放的巨大能量形成的冲击波将恒星外围物质迅速推开,形成了所谓的“超新星”爆发。冲击波对恒星外围物质的加速和加热到极高的温度,可以聚变产生大量的重元素和放射性元素,成为行星形成乃至生命繁衍的原料。对于中等质量的恒星,核心区的基于海森堡不确定性原理的中子简并压可以与引力抗衡,而形成中子星。而对于更大质量的恒星,中子简并压也不足与引力抗衡,进而塌缩为一个奇点。由于量子力学和广义相对论在此不再适用,谁也不知道奇点处发生了什么。但是人们可以确定的一点是奇点极高的引力场导致了其附近的光子也不能逃脱,这个光子不能逃逸的区域称为“视界”,这个视界以内的区域是完全黑暗的,没有任何光子可以逃逸,所以我们称这种天体为“黑洞”。

黑洞视界周围的光子圈

如果你仔细观察,你会发现黑洞视界周围有一圈发亮的光环,这些光环是在黑洞视界外围逃逸出来的来自黑洞吸积盘的光子所构成,正像一枚金色的燃烧着火焰的戒指。在星系中心的黑洞慢慢吸积更多的物质,成为大质量黑洞,它的视界直径可以达到几个光年。当星系与星系并合的时候,这些星系中心的黑洞也会并合,成为更大质量的超级黑洞。然而,黑洞并不会永存,因为根据量子力学能量和时间的不确定性原理,能量在短时间内并不守恒,会产生由正粒子和反粒子组成的虚粒子对。在黑洞视界周围的量子涨落产生的虚粒子对,如果有一个被黑洞俘获,另一个逃逸到黑洞之外,那个逃逸的粒子由于可被观测到而成为了实粒子拥有了正能量,那个被黑洞俘获的虚粒子因此有了负能量,使得黑洞能量减少。所以,最终不可一世的超级黑洞也会因为霍金辐射而蒸发消失。

《指环王》第一部封面

任何恒星都会经历死亡,然而有的恒星却堕入到彻底的黑暗。如同至尊魔戒的超级黑洞通过吞噬恒星来壮大自己,乃至统管周围小星系的中心黑洞,形成宇宙中巨大的黑暗力量。然而,这一切都将被霍金辐射所终结。正如宇宙诞生130多亿年后的一位人类作家所言:

“最后可怕的阴影,终究会消失。就连黑暗也会消失。崭新的一天将会来临。太阳也会散发更明亮的光芒。”——《指环王》

黑暗过后是光明

我们光子虽然诞生于全然光明的世界,但是当我们一旦离开了那个世界开始自由旅行于宇宙中的时候,我们发现周围的世界一片漆黑。我们光子的能量随着宇宙的膨胀逐渐衰减,使得我们的颜色暗淡到无法用肉眼识别。所以,虽然宇宙中充满了第一代光子,但是那时的宇宙却是一片黑暗。在黑暗中的旅行是孤独的,是乏味的,是没有方向的,我渴望回到我们光子诞生之初的那光明世界当中。

在黑暗中,有一种看不见的物质正在聚集成团,这种物质与重子物质以及光子通常不产生相互作用,它们与重子物质和我们光子好像存在于平行的世界里,我们与这些所谓的“暗物质”通常只通过引力相互影响。虽然我们光子在诞生初期和物质各占整个宇宙能量的一半,但是随着宇宙的膨胀,我们光子的能量越来越低,而物质的总能量却不怎么改变。由于暗物质在所有物质中约占85%的比例,所以暗物质逐渐成为主宰宇宙进程的决定性力量。宇宙中的暗物质分布并不是完全均匀的,宇宙中暗物质密度较高的区域通过引力逐渐形成暗物质晕,这些暗物质晕通过引力拖曳着重子物质形成团块。

在宇宙大概四亿岁的时候,这些重子物质团块慢慢长大到大概有一百万个太阳的质量。重子物质在引力作用下塌缩为球形,当球核的温度增高到一亿开尔文(或者一亿摄氏度)的时候,质子和质子碰撞形成了氘或者重氢,并产生了高能光子和中微子。这些氘核与质子和中子的进一步碰撞产生了稳定的氦核。这个所谓的“氢聚变”过程释放了大量的高能光子,产生了第一个会发光的球,这就是所谓的“恒星”,它再一次点亮了宇宙。

宇宙再电离示意图(credit: NASA)

随着宇宙中第一缕光的出现,越来越多的暗物质团块携带着重子物质塌缩形成了第一代恒星。这些恒星的高能光子将我们第一代光子诞生时所形成的氢分子再一次电离成质子和电子,于是宇宙开始变得透明,恒星所产生的可见光得以穿透黑暗。这时的宇宙虽然不像我们光子诞生时的宇宙那么光明,但是它慢慢变得有趣。恒星内部核聚变产生了比氢和氦更重的新的稳定元素。当第一代恒星内部的氢被消耗到一定程度的时候,恒星开始变得不稳定并膨胀,大约在几百万年后通过超新星爆炸的形式将新的元素抛射到周围的星际空间。这些新的元素和宇宙诞生时形成的轻元素如氢和氦将再一次塌缩形成质量更小也更加稳定的第二代恒星。

恒星不仅越来越稳定,而且它们在引力作用下慢慢聚集形成更大的结构。就是所谓的“星团”、“星系”以及“星系团”。通常,更大的重子物质团块的塌缩可以形成许多恒星,这些恒星形成的小星系和其他星系并合形成更大规模的星系,并与其他星系一起形成星系团。所以,暗物质和引力这两种看不见但又无处不在的存在为宇宙再次带来了光明,并开启了一个复杂、有序和精彩的新时代。

基于圣经的对暗物质的理解

当今理论物理和宇宙学最重要的课题是“两暗一黑”,就是暗物质和暗能量以及黑洞。我们从星系的退行,星系的旋转曲线以及超新星所揭示的宇宙加速膨胀知道宇宙中大多数物质是不可见的,或者是不和可见的重子物质发生作用的。这些物质大概占了宇宙中23%的能量,而宇宙中另外72%的能量是所谓的暗能量,就是爱因斯坦引力场论方程里面的宇宙学常数,被认为是真空能量。但是至于什么是暗能量,什么是暗物质,理论物理学家各有说辞,这和上个世纪的光速不变以及紫外灾难一样是当代物理所面临的两大谜团。而另外一个谜团就是我在之前“黑洞,信息,与上帝”一文中所讲的黑洞问题,简而言之,就是黑洞的信息缺失问题,黑洞是研究广义相对论和量子力学最好的天体,因为在黑洞那里,引力场的量子效应变得极为明显,于是成为试验任何大统一理论的极好天体,而另外一个检验大统一理论的就是早期宇宙学,特别是暴涨时期的宇宙学。在这篇博文里,我要探讨圣经里关于暗物质的启示。

既然,我相信上帝启示了两本书,一本是圣经,一本是自然,那么我必然会相信圣经对如此重要的自然界的现象必然会有重要启示或者至少是影射。也许你会说圣经从来没有谈过什么天文学或者宇宙学,但我在这个博客中已经探讨了圣经关于宇宙起源以及这个自然界的种种启示和影射。因为圣经的启示主要是为了人类的救赎,而非人类如何认识自然界,所以我们只能把这种关于自然界的启示作为一种影射或者是暗含于圣经经文里的意义来解读。既然暗物质是如此重要,那么圣经中唯一一个与此对应的并且广泛启示的重要概念就是灵界。正如暗物质是不可见的,灵界也是不可见的,“原 来 我 们 不 是 顾 念 所 见 的 , 乃 是 顾 念 所 不 见 的 ; 因 为 所 见 的 是 暂 时 的 , 所 不 见 的 是 永 远 的 。”(林后4:18)正如暗物质不和重子或可见物质发生作用,灵界与物质界也通常不发生作用,这是显然的,因为我们用肉眼没有看到灵界。但是暗物质却可以产生引力效应,这也正是我们知道有暗物质存在的证据来源。

那么圣经有没有启示灵界是可以产生引力或者其他效应的呢?圣经显然没有用“引力”这个牛顿力学的概念来启示灵界,但是圣经却用比引力更深刻的概念来描述灵界。在保罗写给哥林多教会的书信中,他说,“我 想 神 把 我 们 使 徒 明 明 列 在 末 後 , 好 像 定 死 罪 的 囚 犯 ; 因 为 我 们 成 了 一 台戏 , 给 世 人 和 天 使 观 看。”(林前4:9)所以,我们在物质世界的所作所为,灵界是知道的。那么灵界里的天使是如何获取物质界的“信息”的呢?如果灵界等同于暗物质,那么灵界无疑是通过引力来获取物质界的信息的。而且这种信息不仅被获取,很有可能也被储存在灵界,“因 为 我 们 众 人 必 要 在 基 督 台 前 显 露 出 来 , 叫 各 人 按 着 本 身 所 行 的 , 或 善 或 恶 受 报 。”(林前5:10)因为基督要来审判这个世界,所以祂需要存储这个世界的信息,就像法官需要收集证据一样。虽然基督可以直接让人回忆起他自己所做的一切,但是我想这种回忆需要某种媒介,就像我们有时候需要照片和视频来回忆过去一样。不仅如此,我们的大脑只能模糊地有选择性地记忆过去,而上帝所需要的证据是确凿的,或者需要高保真的证据,于是需要灵性世界来存储整个物质世界所产生的信息。这也和我在之前所提出的物质世界是计算机模拟的概念相吻合。于是,我们应该把引力理解为信息,这也正符合当今流行的“涌现引力”的新物理学概念。这个理论由一个荷兰理论物理学家倡导,认为引力是从微观量子态涌现出来的一种信息,这种信息产生了一种所谓的“熵力”,就是引力(参看wiki:https://en.wikipedia.org/wiki/Entropic_gravity)。虽然这个理论的提出是为了解释暗物质的存在,但是这个理论所提出的概念却是更本质的。无论暗物质是否可以被解释为涌现的信息,引力是信息这样一个革命性的概念应该得到足够重视。如果这个理论是可取的,我们就可以明白为什么天使可以*观看*物质界,因为物质界的所有量子态都可以通过所它所涌现的“引力”传递给灵界并且存储在灵界当中。这并不违反能量守恒或者信息守恒,因为信息只是在灵界和物质界之间转换。

也许有人会说,那么物质界为什么不能“看到”灵界,而灵界可以“看到”物质界呢?这种信息不对称性是怎么回事呢?那是因为物质界或者重子物质的特性限制了它吸收信息的能力。重子物质就像这个宇宙的CPU,它是用来处理信息和模拟灵性世界的,而灵性世界或者暗物质就像硬盘是为了存储这个物质世界所处理和产生的信息。当然,圣经也启示了另外一种奇妙的现象,就是物质世界可以通过某种方式窥探灵性世界。“以 利 沙 祷 告 说 : 耶 和 华 啊 , 求 你 开 这 少 年 人 的 眼 目 , 使 他 能 看 见 。 耶 和 华 开 他 的 眼 目 , 他 就 看 见 满 山 有 火 车 火 马 围 绕 以 利 沙 。”(列王记下6:17)在这里先知其实是让我们提前看到了将来上帝所创造的新天新地的场景,因为在那里,物质界和灵界成为一体,就像耶稣复活的身体既是物质的,也是灵性的。圣经说,“岂 不 知 我 们 要 审 判 天 使 麽 ? 何 况 今 生 的 事 呢 ?”(林前6:3)如果我们复活后的身体不能感知灵界,我们怎么审判天使呢?所以在基督第二次降临之后,物质界和灵界必然融为一体。

而且这个灵界等同于暗物质的理论是可以通过试验加以验证的。我们知道灵界可以产生引力或者信息,所以,我们需要探测的是灵界的致密实体所产生的引力。如今,我们已经可以通过引力波干涉仪来探测引力波,所以,我们是可以探测到暗物质或者灵界所产生的引力波的,当然我们的探测仪必须能够区分引力波的方向和来源。如果暗物质可以产生引力波,那么必然表明暗物质是可以产生致密天体的,这也符合圣经对灵界的描述,因为灵界里有天使,也有天使所居住的地方。另外一个更容易的方法是通过重力仪来探测周围的宏观暗物质体或者对应于灵界的被造物。但是我们需要理想的实验条件,排除一切重子物质环境的干扰,来探测这种灵界的宏观实体。其实现代天文学已经可以通过引力透镜的方式来检验暗物质天体或者叫MACHO的存在和分布。但是因为我们对灵界的宇观结构尚不明确,我们不能够认为灵界的天体大小结构和重子物质天体的是一样的。也许灵界的构造更加均匀,灵界物质之间的作用力范围更大,所以我们需要在各个尺度上探测灵界的结构,这也和星系的旋转曲线以及星系团的密度分布直接相关。

Christ_marchant_sur_la_mer
耶稣在海面上行走,由Amédée Varint所绘

这样,我们在这个宇宙就可以感知两个世界的存在,然而我们对灵性世界似乎只能通过那神秘的引力来感知。不过圣经告诉我们,我们需要信心来“看见”那不可见的,这是另外一个话题。我们可以稍微引用一节圣经经文来窥见信心所带来的第六感知。“门 徒 看 见 他(耶稣) 在 海 面 上 走 , 就 惊 慌 了 , 说 : 是 个 鬼 怪 ! 便 害 怕 , 喊 叫 起 来 。”(太14:26)这节经文让我们看到在将来物质和灵性融为一体的世界,引力或者信息是可以被宏观实体驾驭的,因为耶稣所行的神迹要么是对这个世界被造过程的模拟,要么是对将来复活世界的模拟,正如C.S.Lewis在他的《神迹》一书中所言。这节经文接下来的故事更加引人入胜,“彼 得 说 : 主 , 如 果 是 你 , 请 叫 我 从 水 面 上 走 到 你 那 里 去 。耶 稣 说 : 你 来罢 。 彼 得 就 从 船 上 下 去 , 在 水 面 上 走 , 要 到 耶 稣 那 里 去 ;只 因 见 风 甚 大 , 就 害 怕 , 将 要 沉 下 去 , 便 喊 着 说 : 主 阿 , 救 我 !耶 稣 赶 紧 伸 手 拉 住 他 , 说 : 你 这 小 信 的 人 哪 , 为 甚 麽 疑 惑 呢 ? 他 们 上 了 船 , 风 就 住 了 。 在 船 上 的 人 都 拜 他 , 说 : 你 真 是 神 的 儿 子 了 。”(太14:28-33)从这节经文,我们看出彼得凭着信心是可以在海面上走的,因为耶稣说他下沉的原因是因为没有信心。所以,我们在此窥见信心是驾驭引力或者微观量子态的必需条件。为什么信心有如此神秘的能量呢?因为信心所指向的是那个创造宇宙的信息源头,就是圣子上帝。祂创造了这个有规律可循的宇宙来突显信心的超凡脱俗,祂创造了一个个罪人,来突显十字架救赎的神圣之爱,祂创造了两个世界,都是为了指向祂自己,“因 为 万 有 都 是 本 於 他 , 倚 靠 他 , 归 於 他 。 愿 荣 耀 归 给 他 , 直 到 永 远 。 ”(罗11:36),也唯有信心使得人可以真正的凡事本于他, 依靠他,并且归于他,最终荣耀三位一体的上帝。

 

 

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