一个星球的诞生

当宇宙诞生后大约十亿年的时候,星系中第一代恒星慢慢死亡,通过超新星爆炸的方式为宇宙带来了大量的重元素,也就是比氢、氦、锂等宇宙早期形成的元素更重的元素。这些元素中包含了构成生命最重要的元素,比如氧和碳等。作为宇宙第一代光子,我在漫长的宇宙旅程中时常看见五彩斑斓的超新星遗迹,这些遗迹是由超新星爆发产生的冲击波和星际物质相互作用所产生的。这些冲击波会电离星际分子,进而产生比如OIII和Halpha等发射线。这就使得这些遗迹的色彩非常鲜艳明亮。所以超新星爆炸不仅是转瞬即逝的烟花,而且这烟花的壮丽会持续百万年的时间。

蟹状星云

超新星爆炸产生的重元素被散播到星际空间中的分子团块中,一些富含重元素的分子云的密度达到了所谓的“金斯不稳定性”的极限,进而在引力作用下塌缩为一个个恒星。这第二代的恒星与第一代恒星不同的是,它们富含重元素,而且它们的吸积盘中由于重元素的存在,将产生大量的尘埃,这些尘埃在百万年的时间里面像滚雪球的方式从微米尺度的尘埃颗粒变为毫米尺度,进而成为鹅卵石大小的尺度,最后进一步形成公里尺度的种子行星。这些种子行星的引力使得它可以不断吸附大量的“鹅卵石”大小物体进而快速增长为地球大小的原始行星。这些原始行星的内部可达上千摄氏度,压强可以将水直接挤压到石头里面去,成为水晶。由于行星内部不同深度有不同温度和压强,不同的元素和矿物将在不同深度富集,进而使得行星有壳层结构。像地球一样的行星,其内部是液态铁核。由于铁可以导电,液态铁核在不断旋转中可以产生电场和磁场。行星的磁场可以屏蔽恒星抛射出来的高能粒子,进而保护大气不至于过度电离而被蒸发。

早期形成行星的物质中有一些是含有水分的(以水晶矿物的形式存在),这些水分会通过地壳运动比如火山爆发等形式输送到行星表面,使得行星表面可能拥有液态水。但是由于这些行星通常离恒星较近,在它附近的水分大多已经蒸发,它所吸积的物质所含水分有限,所以这些水不足以形成可以覆盖行星的海洋。在行星形成的过程中,有一些区域的温度适合水凝结为冰,有一些区域太热以至于水分被蒸发为水气,并被电离和吹散。而“冰线”就是划分恒星周围温暖和寒冷区域的这样环形分界线。另外还有一条所谓的“宜居带”,则是适合液态水存在的一条环状区域。在一个行星系统中,如果有一些巨行星,比如木星质量的行星,在冰线以外,那么这些巨行星将可以扰动富含水分的彗星,通过撞击宜居带里面的行星,为这些行星带来大量水分,并形成海洋,可以覆盖大量的陆地。

恒星周围的宜居带

这样一个在类似太阳的恒星周围的宜居带内类似地球大小的拥有磁场和海洋的星球就这样诞生了。这样的类地行星是否可以产生生命呢?是不是每一颗这样的星球都适合生命的繁衍呢?是否需要月亮一样的卫星来稳定类地行星的自转呢?是否需要木星一样的兄弟行星来为类地行星输送水分呢?这些问题,我还弄不清楚。但我知道在我旅程的尽头将有一颗蓝色星球——地球,它是地球生命和人类的家园。在地球46亿年的历史中,生命出现在地球刚诞生后6亿年左右。如果把地球历史视为一天24小时的话,那么生命就是在凌晨3点左右出现的,而人类在最后一秒才出现。另外,在地球几百万个物种中,只有一个物种拥有了“灵魂”,这是否说明智能生命的稀有呢?所以,在我138亿年的旅程中,我也许将会发现许多的拥有生命的星球,但是也许只有非常少的星球拥有可以进行星际通讯的文明。

无论如何,宇宙的浩大壮丽让我敬畏,同样,生命之复杂和精妙同样令人赞叹。如果说宇宙的美丽和秩序只是出于偶然,那么我的旅行就失去了方向和意义;然而,如果宇宙的秩序和美丽是为了达成造物主的某种目的,那么我的通往蓝色星球的旅程也将因这宏大的宇宙叙事而充满意义。所以,我更愿意相信,宇宙中所有的事情并非完全偶然,偶然中蕴含着必然。

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》

基于圣经的对暗能量的理解

在上一片博文里面,我探讨了圣经对暗物质的暗示,并提出暗物质就是灵界的假设。虽然,我们可以继续用灵界来解释暗能量,但是这种用本来具有神秘感的灵界来解释一切有待解释的自然界现象并非一个好的科学理论。我们需要从独特的圣经科学的释经角度来理解暗能量这个与暗物质相对独立的存在。

我们首先来看暗能量存在的科学证据。早在爱因斯坦提出他的广义相对论的时候,他就提出用宇宙学常数来产生一个稳恒态宇宙模型。但是紧接着,比利时神父乔治-勒梅特以及其他几个宇宙学家发现这种宇宙学模型是不稳定的,也就是说宇宙要么在膨胀要么坍缩,不可能永恒存在。后来埃德温-哈勃发现星系的退行速度和它们的距离成正比,也就是说,空间在膨胀。那么,通过时间反演,宇宙应该诞生于一个非常致密的奇点,由此也就诞生了大爆炸宇宙学。上个世纪60年代,Arno Penzias和Robert Woodrow Wilson进一步发现了宇宙诞生之初所产生的微波背景辐射,对这个背景辐射的观测使得我们可以知道宇宙早期的演化,并进而确认了含宇宙学常数项的标准宇宙学模型。当然,宇宙加速膨胀的证据不仅来自CMB,还来自于对超新星的观测,重子声学震荡以及星系团的丰度分布等。虽然标准宇宙学已经得到了很多观测的证实,但是人们对于占宇宙能量69%的暗能量或者宇宙学常数知之甚少。最近,一批美国科学家甚至认为,大统一理论的最佳候选理论,超弦理论,与标准宇宙学并不相融,该理论所预言的物理理论“湿地”(Swampland)更倾向于一个随时间变化的暗能量模型,也就是宇宙学常数不是常数,而是一个随时间变化的标量场。当宇宙密度高的时候,该标量场产生吸引力,当物质密度低的时候产生排斥力,进而产生了宇宙加速膨胀。这样一种暗能量,也被称为“鬼能量”(Phantom energy),而且这种鬼能量会导致未来的宇宙超速膨胀,以至于宇宙中任何两个原子或者任何作用力或物质都将不再存在。所以,虽然宇宙加速膨胀的发现已经有几十年的时间,但是理论物理学家对暗能量的本质是什么仍然各执一词。

那么,我们能否从圣经这个上帝的特殊启示中寻找关于暗能量的启示的线索呢?幸运的是,当我最早学习宇宙学的时候就接触到Hugh Ross所创办的Reason To Believe机构的关于科学和信仰的资讯。他认为圣经早已启示了宇宙膨胀,我们可以从相关经文得出答案。比如“ 他 独 自 铺 张 苍 天 , 步 行 在 海 浪 之 上 。”(约伯记9:8)“神 坐 在 地 球 大 圈 之 上 ; 地 上 的 居 民 好 像 蝗 虫 。 他 铺 张 穹 苍 如 幔 子 , 展 开 诸 天 如 可 住 的 帐 棚 。”(以赛亚书40:22)“创 造 诸 天 , 铺 张 穹 苍 , 将 地 和 地 所 出 的 一 并 铺 开 , 赐 气 息 给 地 上 的 众 人 , 又 赐 灵 性 给 行 在 其 上 之 人 的 神 耶 和 华 ”(以赛亚书42:5)“从 你 出 胎 , 造 就 你 的 救 赎 主 ─ 耶 和 华 如 此 说 : 我 ─ 耶 和 华 是 创 造 万 物 的 , 是 独 自 铺 张 诸 天 、 铺 开 大 地 的 。 谁 与 我 同 在 呢 ?”(以赛亚书44:24)“耶 和 华 用 能 力 创 造 大 地 , 用 智 慧 建 立 世 界 , 用 聪 明 铺 张 穹 苍 。”(耶利米书10:12)“耶 和 华 论 以 色 列 的 默 示 。 铺 张 诸 天 、 建 立 地 基 、 造 人 里 面 之 灵 的 耶 和 华 说”(撒迦利亚12:1)(参http://www.reasons.org/explore/blogs/todays-new-reason-to-believe/read/tnrtb/2010/03/29/confirming-cosmic-expansion-part-1-(of-4))由这些经文,我们可以知道上帝创造宇宙的过程是一个不断展开或者“铺开”的过程,就像铺被子一样。然而,这些经文并没有预言宇宙的加速膨胀,它们似乎只是告诉我们宇宙在膨胀。所以,这些经文似乎并没有启示暗能量到底是什么。

为了寻找突破,我们需要进一步思想暗能量的本质。按照标准宇宙学理论,暗能量和其他能量或物质的不同点在于它不符合通常意义上的能量守恒,因为它是一个常数,而且不随空间改变,非局域。所以宇宙越膨胀,暗能量越大。而且暗能量在早期宇宙的演化中并不占主导地位,只是在最近几亿年的演化中开始占主导地位。这似乎与人类存在的时间尺度有关,如果暗能量不存在,宇宙很可能迅速收缩,以至于银河系乃至太阳系无法形成并演化成现在的样子。所以,上帝需要用暗能量创造一个分布相对松散的宇宙,这样有利于生命的形成。这可以从星系团的例子中找到证据。我们为什么生活在一颗孤立的恒星,太阳,周围,而不是一个双星或者在一个星团里,就像中国神话里的后羿射日里的十个太阳。原因在于临近恒星会对行星的宿主恒星和行星本身产生强烈的扰动,导致行星轨道的不稳定性,从而不适合生命的繁衍。这种原理同样适用于银河系,如果银河系与其他星系太近会导致银河系内的恒星受到强烈的动力学扰动,从而导致恒星轨道的不稳定性,不适合生命的繁衍。于是,我们知道上帝为什么需要暗能量,而且所需要的暗能量不多也不少,就是所谓的精细调节问题。然而,我们仍然不知道暗能量是什么?

不过,我们至少知道这暗能量是由上帝的话语造成的,这话语也被理解为信息。所以,暗能量如同暗物质肯定与上帝在创世之初所说的话语有关。如果暗能量密度或者宇宙常数是恒定不变的,宇宙常数的不变性和光速的不变性以及物理规律的恒常性一样,是对上帝不变性的模拟。然而,最近的超弦理论似乎与恒常的宇宙学常数不符,这要么说明超弦理论有问题,要么说明宇宙常数(或者暗能量密度)是可变的。但我们看到很多物理理论的恒常性,它们不随时间和空间而变化。所以,我们有理由相信暗能量如果存在,它的密度很可能是恒常的,如同其他物理常数一样。这样我们只剩下两个选择,要么超弦理论是错的,要么暗能量不存在。然而,超弦理论的产生乃是为了调和广义相对论和量子力学的表面矛盾,而且该理论认为物质和能量的本质是一些极小的弦,唯有这些弦是本质的,其他的存在诸如能量和物质都是非本质的存在。据我看来,超弦理论更像是一个由广义相对论和量子理论拼凑起来的理论,因为它并没有像广义相对论一样让我们看到更深刻的物理本质,比如惯性质量和引力质量相等或者加速参考系中物理定律不变。广义相对论的根基是非常基本的物理直觉,而超弦理论的根基并不是那么直观。而且圣经中从来没有启示这个宇宙中最基本的存在是“弦”。

如果超弦理论的“湿地”学说是正确的,暗能量很可能是不存在的或者是可变的。如果暗能量不存在,我们需要解释为什么我们在宇宙微波背景辐射和超新星的红移中看到宇宙加速膨胀的证据。综合这些考虑和上一篇博文的探讨,我认为暗能量是重子物质和暗物质所产生的信息。物质的信息对应于物质的微观量子态,而物质的微观量子态是在不断随时间变化的。所以,物质所产生的信息是四维的,包括空间和时间,而且是随时间不断增长的。这些信息都以暗能量的形式被存储在这个宇宙当中,而暗能量反过来以引力的形式来影响宇宙的演化,所以,暗能量和物质是耦合在一起的。这就是为什么我们在创世记中看到上帝用话语创造这个宇宙,但是在圣经其他经文中又看到上帝在铺张这个宇宙的原因。上帝用信息创造了宇宙,而祂输入的初始信息以及可见物质世界和灵性世界所产生的信息都以暗能量的形式存储在宇宙中。于是,宇宙早期的暗能量是微小的,随着物质在空间中展开,物质的量子态开始随时间不断变化,信息以暗能量的形式不断增长,以至于导致了宇宙的加速膨胀。然而由于加速膨胀会导致物质间相互作用变得微弱,将来宇宙的信息总量将会趋于一个常数值,宇宙会停止膨胀并趋于温衡。这样一个宇宙的膨胀曲线可以进而限制暗能量的状态方程,进而区分“鬼能量”模型和其他暗能量模型。

于是,综合这篇文章和之前的一篇博文,圣经似乎告诉我们这个宇宙不仅是物质的,更是信息的,物质宇宙包含了可见的世界和不可见的灵性世界,前者由重子物质构成,后者由暗物质构成,这两个世界产生的信息以暗能量的形式被存储起来并且影响整个宇宙的演化。无论是暗物质,可见物质还是暗能量都通过引力这样一个神秘的作用力联系在一起。如果引力是一种微观信息,我们就不难理解暗能量作为物质宇宙的历史信息会主导整个宇宙的演化。这样一个基于圣经的宇宙学模型可以得到观测的证实。比如超新星标准烛光可以限制宇宙膨胀的曲线,CMB可以限制暗能量与量子信息的转换关系,大尺度结构进一步限制宇宙的膨胀过程。然而,随着引力波宇宙学的不断发展,我们也许会发现引力波如何影响星系红移和超新星测距及CMB,并进一步限制宇宙膨胀的历史。

这样一个圣经宇宙学模型让我们对这个宇宙有深刻的洞见。首先,这个宇宙是可见的,也是不可见的,我们可以感知两个宇宙的存在,并隐约看到新天新地是如何被造的。因为暗能量所存储的信息可以用来反演这个物理世界,进而用于审判这个世界和创造一个被信息掌控的新的世界。由于信息可以用于克服熵增,所以,暗能量是创造新的世界的基本要素。其次,这个宇宙的信息本质让我们看到物质,空间,能量,和时间都是信息的,这样它们之间都是联系在一起的,甚至是可以互相转换的。这和爱因斯坦所发现的质能方程异曲同工,也是大统一理论的一个新的发展方向。最后,我们知道这个世界被造的目的乃是为了上帝的荣耀,因为祂把所有圣经所启示的被造物放在这一个宇宙中。而所有的被造都是信息,其源头也是信息,所以,印证了祂用话语创造和护理的启示。我想,以下这些圣经经文是对圣经宇宙学最好的诠释。

他 是 神 荣 耀 所 发 的 光 辉 , 是 神 本 体 的 真 像 , 常 用 他 权 能 的 命 令 托 住 万 有 。 他 洗 净 了 人 的 罪 , 就 坐 在 高 天 至 大 者 的 右 边 。(希伯来书1:3)

神 说 : 要 有 光 , 就 有 了 光 。(创世记1:3)

因 为 他 说 有 , 就 有 , 命 立 , 就 立 。(诗篇33:9)

他 们 故 意 忘 记 , 从 太 古 , 凭 神 的 命 有 了 天 , 并 从 水 而 出 、 藉 水 而 成 的 地 。故 此,当 时 的 世 界 被 水 淹 没 就 消 灭 了 。但 现 在 的 天 地 还 是 凭 着 那 命 存 留 , 直 留 到 不 敬 虔 之 人 受 审 判 遭 沉 沦 的 日 子 , 用 火 焚 烧 。(彼得后书3:5-7)

通过 WordPress.com 设计一个这样的站点
从这里开始