智能简史 - 如何使宇宙更加稳定？

宇宙从无到有：物质、能量和空间

我们所处的宇宙，是广袤空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。人们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。宇宙起源是一个极其复杂的问题。直到20世纪，出现了两种比较有影响的关于宇宙起源的模型：一是宇宙恒稳态理论，一是大爆炸理论（The Big Bang Theory）。宇宙恒稳态理论认为：宇宙的过去，现在和将来基本上处于同一种状态，从结构上说是恒定的，从时间上说是无始无终的。而大爆炸理论认为宇宙和时间的开始都源起于宇宙中一次巨大的爆炸，这一爆炸造成了各大星系，而各大星系，以及整个宇宙总是处于不断变化，发展的过程之中。1927年，比利时宇宙学家和天文学家乔治·勒梅特勒梅特（Georges Lemaître）首次提出了宇宙大爆炸假说[1]。

20世纪20年代后期，埃德明·哈勃（Edmin Hubble）发现了红移现象，说明宇宙正在膨胀。20世纪60年代中期，阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）发现了宇宙微波背景辐射。这两个发现给大爆炸理论以有力的支持[2]。

在大爆炸理论中，大约138 亿年前，整个宇宙，以其令人难以置信的浩瀚和复杂，从之前的虚无中膨胀而出。大爆炸开始时，体积无限小，密度无限大，温度无限高，时空曲率无限大的点，称为奇点。爆炸之初，物质只能以电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子，并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们如今所看到的宇宙。

当然，提出了一个关键问题：上帝是否创造了宇宙大爆炸？我们无意冒犯任何有信仰的人。所以我们把这个问题排除在本书的范围之外。

尽管宇宙浩瀚而复杂，但事实证明，要制造一个宇宙，您只需要三种成分：物质、能量和空间[3]。

物质是有质量的东西。物质无处不在，在我们的房间里，在我们脚下，在太空中。地球上的水、岩石、食物和空气。巨大的恒星螺旋，延伸到令人难以置信的距离。

建造宇宙所需的第二个要素是能量。我们每天都离不开能量，虽然你没有想过，但我们做饭、给手机充电和开车都是在使用能量。在阳光明媚的日子里，我们可以感受到九千三百万英里外的太阳所产生的能量。能量渗透到宇宙中，推动着宇宙动态过程的不断变化。

建造宇宙需要的第三个要素是空间，很多空间。无论从哪里看宇宙，我们都会看到向各个方向伸展的空间。

根据爱因斯坦的相对论，质量和能量是同一个物理实体，可以在他著名的方程E = mc^2中相互转化，其中E 是能量，m 是质量，c 是光速。这将“宇宙食谱”中的成分数量从三个减少到两个。

尽管形成宇宙只需要能量和空间这两种成分，但最大的问题是这两种成分从何而来。在大爆炸理论的核心，它解释了能量和空间分别是正的和负的。这样，正负加起来为零，这意味着能量和空间可以从无到有。

可以用一个简单的类比来解释这个关键概念。想象一下，我们想在平坦的土地上建造一座小山，但我们不想从其他地方携带土壤或岩石。建造这座小山，我们可以在这片土地上挖一个洞，用洞里的泥土来建造它。在这个例子中，我们不仅制作了小山，还制作了洞，这是小山的负版。小山曾经在洞里面，在这个过程中它完美地平衡了。换句话说，山和洞可以在平坦的土地上出现。

这就是宇宙开始时能量和空间发生的事情背后原理。当大爆炸产生大量的能量时，它同时产生了相同数量的负能量，这就是空间。正能量和负能量相加为零。

不安分的宇宙

宇宙闪现之后，并不像看上去那么静止。宇宙中的一切都在不断变化，以使其更加稳定。图1显示了大爆炸后宇宙演化的时间线。

图1 大爆炸后宇宙的演化（维基百科提供）

科学家认为，在大爆炸后的最初时刻，宇宙极其炽热和密集，能量巨大。夸克和电子是构成物质的基石。这些基本粒子在能量海洋中自由漫游。但夸克和电子作为等离子的存在只是短暂的，因为它们被创造的同时也迅速地被湮灭。随着宇宙冷却，大爆炸后大约一万分之一秒后，夸克凝聚成质子和核子。几分钟内，这些粒子粘在一起形成原子核，形成的第一个原子，主要是氢和氦。今天宇宙中存在73%氢和25%氦丰度来自这个时期的前几分钟。

今天宇宙中存在的比氦大2%的原子核是在数十万年后产生的。电子粘在原子核上以形成完整的原子。由于重力，这些原子聚集在巨大的气体云中，星系由恒星的引力集合形成，这是一种能将任何有质量的物体拉向彼此的力，例如，导致苹果从树上掉下来。

地球和太阳等大型物体由于引力和电磁力在运动。除了运动之外，宇宙一直在稳步膨胀—--不断增加嵌入太空中的星系之间的距离。我们可以用发生在一条葡萄干面包上的变化来解释宇宙的膨胀：随着面包的膨胀，虽然面包里的葡萄干彼此远离，但它们仍然卡在面包中。

1912—1922年，美国天文学家维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）观测了41个星系的光谱，发现其中36个星系的光谱发生红移，他认为这种现象意味着这些星系正在远离地球[4]。1929年，美国天文学家哈勃的观测表明，星系正以与其距离成正比的速度远离地球，这在传统上被称为哈勃定律。为纪念哈勃的贡献，1990年，美国国家航空航天局（NASA）将发明的空间望远镜命名为“哈勃空间望远镜”。此外，小行星2069、月球上的哈勃环形山均以他的名字来命名。2018 年，国际天文学联合会（IAU）投票建议修改哈勃-勒梅特定律的名称，以表彰哈勃和比利时天文学家乔治·勒梅特对现代宇宙学发展的贡献。

在量子世界中研究的原子和亚原子级别的小粒子也由于弱核力和强核力而运动。小颗粒不仅会移动，而且与我们日常生活中看到的相比，它们的移动也很奇怪。量子粒子既可以表现得像粒子一样位于一个地方，又可以像波浪一样，分布在整个空间或同时分布在几个不同的地方。量子另一个最奇怪的地方是纠缠状态：比如我们观察一个粒子时，另一个距离很远的粒子会立即改变它的特性，就好像这两者通过一个神秘的通信通道相连。

改变以稳定宇宙

为什么宇宙中的一切都在不断变化？尽管它似乎是可证明的基本事实，但目前科学还不能完全回答这个问题。

其中一个可能的原因是，宇宙中的两种成分（即能量和空间）从一开始就使它不稳定，而宇宙中的一切都在不断变化，使宇宙逐步走向稳定。而且，由于空间成分，宇宙中的能量分布极为广泛，在这个稳定的过程中，似乎没有集中控制。因此，每个组件都以分布式的方式为宇宙稳定做出贡献。

这个假说可以解释宇宙中最初物质为什么会形成。为了缓解能量在宇宙中分布的不平衡，物质在宇宙中出现来有效的传播能量，从而使宇宙更加稳定。这种物质形成过程类似于水蒸气冷却时蒸汽凝结成液滴的方式。水蒸气中的分子比水滴中的分子更分散，密度的变化伴随着能量的扩散在温暖的环境中，水呈现蒸气状态，环境和水处于稳定状态。当环境温度下降时，环境与水之间存在梯度，系统不再稳定。环境处于比水蒸气低的能量状态。为了使该系统更加稳定，水分子的密度会发生变化以促进能量传播。因此，水从气态变为液态。同样，在物质形成过程中，粒子的结构也会发生变化以促进能量传播。

其他一些例子包括我们日常生活中的石头从高处滚下和冰融化成水。更复杂的例子包括生物进化、集体智慧和社交网络中的热议话题。我们将在接下来的章节中详细说明。特别是，由于本书主要是对智能感兴趣，我们展示了智能是在稳定宇宙的过程中自然出现的，就像石头从高处滚下和冰融化成水一样自然。

参考文献

[1]Lemaître G. Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques [J]. Annales de la Société scientifique de Bruxelles, 1927, 47: 49-5.

[2]Wright E. Was the Big Bang Hot? [C]. Symposium-International Astronomical Union , 1983: 113-118.

[3]Hawking S, Redmayne E, Thorne K S, et al. Brief Answers to the Big Questions [M]. London: John Murray, 2020.

[4]Slipher V M. Spectrographic Observations of Nebulae [J]. Popular Astronomy, 1915, 23: 21–24.