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漂浮在宇宙中的幽灵“大脑”

[2015-07-17] 作者:世界未解之迷网 阅读量: 分享到_微信朋友圈:

  幽灵“大脑”本来是物理学家在解决诸如“宇宙中的秩序从何而来”这类问题时带来的一个副产品,如今却让一部分宇宙学家忧心忡忡。

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  “‘好,’猫答应着。这次它消失得非常慢,从尾巴尖开始消失,一直到最后看不见它的笑脸,这个笑脸在身体消失后好久,还停留了好一会儿。

  “‘哎哟,我常常看见没有笑脸的猫,’爱丽丝想,‘可是还从没见过没有猫的笑脸呢。这是我见过的最奇怪的事儿了’”

  这是《爱丽丝漫游奇境》中一段关于柴郡猫的有趣描写,想必每个人读到这里都要忍俊不禁。可是假如有一天你身边的所有东西,比如桌子、椅子,甚至地板,都像柴郡猫一样突然消失在空气中,你还会处之泰然吗?

  你也许会说,这种事情不可能发生。的确,这种事情发生的可能性非常小,以至于哪怕你活到上几十亿年也很可能碰不上一次,但并非绝对不会发生,至少在理论上是这样。

  不仅如此,只要给予足够的时间,一个具有自我意识的生命从虚无缥缈的空间冒出来也并非完全不可能,尽管它也许只存在了短短的十分之一秒钟,还来不及说一声“喂,我在这里!”,然后就像柴郡猫一样神秘地消失了。

  这可不是跟你开玩笑,物理学家还慎重其事地给这种在宇宙中凭空冒出来又神秘消失的生命起了一个特别的名称,叫“玻耳兹曼大脑”,以纪念19世纪奥地利伟大的统计物理学家玻耳兹曼。

  谁也没见过玻耳兹曼大脑,所以这一切都只是理论上的设想。那为什么要提出这么一个古怪的设想呢?这里有一段来历。

  宇宙中的秩序从哪里来?

  每天一觉醒来,当心情好的时候,你的第一个感觉是,这个世界多么美好:窗外小鸟在歌唱,花儿在吐着芬芳,晴空万里,白云悠悠……这是一个井然有序的世界,万物处于和谐之中。

  有序不单单是指一般人所理解的把每样事物摆放整齐。当我们仰望天空,看到行星有规律地绕着恒星转,亿万颗恒星组成星系,星系又组成星系团等等,我们就说,天体系统是有序的;当我们俯视生命,看到细胞、组织和器官以及那么多的有机分子为了维持生命,有条不紊地工作着,我们就说生命系统是有序的。

  为了描述一个系统的有序程度,物理学上引进一个“混乱度”的概念(在物理学中,正式术语叫 “嫡”)。番如说,一块冰融化成水,原先在冰晶里排列比较有序的水分子,变得可以随处乱跑了,我们就说混乱度增加了;在一块铁里,铁原子自旋的朝向本来是杂乱无章的,但磁化之后,朝向基本上一致了,我们就说混乱度减少了。

  19世纪,物理学家总结出一条定律:孤立系统总是要朝着混乱度增加的方向演化。这就是著名的热力学第二定律。用这条定律,我们可以解释很多事情。番如说,为什么一杯冷水和一杯热水倒在一起之后,就会趋于均匀混合,再也不能分开?为什么鸡蛋打碎了,就不能自己复原回去?为什么人会衰老,最后不免一死?等等。

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  可是一旦物理学家把整个宇宙当作一个孤立系统来研究时,他们就困惑了。在玻耳兹受生活的那个年代,宇宙大爆炸理论还没有提出,人们认为宇宙在时间和空间上都是无限的。既然在这之前已经存在了无限长的时间,那么宇宙作为一个孤立系统,混乱度早就应该发展到最大了。宇宙在混乱度最大的时候处于一种“热寂”状态,所有的物质,包括地球、地球上的生命、恒星和星系都统统解体,只留下单个的原子、分子在狂乱地飞舞。从这种混沌中,任何有序的事物都不能够产生,更别说目前这个生机盎然的世界了。

  尽管后来随着大爆炸理论的提出,人们知道宇宙在时间和空间上并非是无限的,但这个难题依然没有消除。因为既然宇宙演化到今天,还依然这么有序,那么根据热力学第二定律家普遍认为,宇宙在极早期处于夸克、电子和光子均匀混合的混沌状态,不可能有任何有序的结构存在;我们现在所看到恒星、星系,甚至连最普通的由质子、中子和电子组成的物质,都是宇宙冷却之后的产物。

  既然这样,那么目前我们所观察到的宇宙中的秩序是从哪里来的呢?

  我们不过是更大宇宙的一个涨落

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  设想有一瓶气体,当它达到混乱度最大的时候,气体分子均匀地分布在整个瓶子里,比如说平均每立方厘米含有1万个分子。但这些分子时刻都处于无规则运动之中,并不排除出现这样的可能:在某个时刻某个地方,分子数密度偏离了这个平均值,比如说有的地方是9999个/立方厘米,而有的地方是10001个/立方厘米,有的地方甚至达到1.5万个/立方厘米。这种比平均值少或者多的状态,我们称之为“涨落”。像9999个/立方厘米或者10001个/立方厘米,偏离平均值才1个/立方厘米,属于小涨落,而1 .5万个/立方厘米偏离平均值达5000个/立方厘米,已经属于大涨落了。不难理解,出现小涨落的概率比出现大涨落的概率要大得多。

  涨落是对最混乱状态的偏离,而且这是在任何情况下都避免不了的,不违反热力学第二定律。混乱度最大对应最无序状态,所以涨落意味着在小范围内暂时(因为涨落是随机产生的,很快会解体)产生了一个稍微有序的结构;涨落愈大,有序程度就愈高。

    
    

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