恒星的涌现
伴随“大爆炸”后7亿年至20亿年间星系的形成,最初的恒星涌现了。显然,那时候恒星涌现的金凤花条件已经具备。与星系不同,恒星自涌现之日起便一直在形成过程中。恒星的形成条件要比星系简单得多。事实上,只要星系具备足够的原始造星材料——氢和氦,恒星的制造就可以进行下去。因为这种由较轻的化学元素构成的大型云团随着时间的推移在数量上有所减少,恒星的数量也相应地在减少,体积也变得更小。
星系和恒星的涌现本是其组成成分——主要是氢分子和氦分子——重力势能(gravitational potential energy)降低的结果。这种重力势能转化成热能,此后以低水平电磁辐射的形式传导至周围空灵阴冷的太空。所以,虽然局部和区域的复杂度通过星系和恒星的形成得到提高——原则上属于熵降低,但宇宙整体的熵量却增高了。不过,在整个138亿年的宇宙演化史上,这种由星系成形和发光的恒星涌现制造出的光子增量比起宇宙背景辐射就显得微乎其微,前者甚至不及整个宇宙中光子总量的千分之一。[16]虽然低水平电磁辐射增加了宇宙中熵的总量,但此时宇宙中的熵总量却已不是峰值,这主要是因为宇宙不断膨胀的缘故。
复杂实体涌现过程中总会制造熵并排放低水平电磁辐射,而且同时提升光子在宇宙中的数量,这似乎是宇宙演化的一个基本过程。对此,于贝尔·雷弗强调指出[17]:
实现组织同时释放光……是宇宙演化的一般原理,在复杂性金字塔的各个层面都适用。原子核、原子、分子、细胞、植物和动物时时刻刻都在利用这一原理。在金字塔阶梯的高端,要实现组织化并非如原子核或原子那般一蹴而就且一劳永逸,而是要存在就必须努力维持。人体会发散出一种红外光;人这架机器要维持运转,就一定会发出相当于100瓦灯泡当量的辐射光。人死了,光也就灭了。
所有这些形式的复杂实体都要使用太阳发出的光子或由此得到的能才能创造或维持自身的复杂性并同时排放大量的红外光子。不过恒星还有另外一种创造复杂实体并排放熵的机制:恒星能够把物质和核束缚能转化成大量的光子。比如,太阳每秒能够把400万吨的物质转化成能(大致相当于600万辆汽车的重量,即德国大众汽车公司2012年的年度总产量),这等于向宇宙中释放2×1045个光子,也就是一种形式的熵。
我们回过头再接着谈宇宙早期的历史。早期星系形成期间,有大量巨大的恒星涌现,因为那时候密实的原始造星材料随处都是。这一时期被称作“星爆”(star burst)期,因为霎时间,为数众多的巨型恒星开始在太空闪耀,虽然持续的时间不是很长。结果,在宇宙演化最初的几十亿年间,各大星系产生的光比此后各个时段相加的总量还要多。因为伴随时光的流逝,原始造星材料在不断减少,所以恒星形成的概率也降低了。所以当今时代只有很少的恒星得以成形,尤其是较大的恒星更是稀少。
制造恒星的原料是在引力影响下最初收缩,继而塌缩的氢、氦云团。埃里克·詹奇曾对这一过程做如下小结[18]:
根据简单的冷凝模型(Steinlin,1977),可以把恒星想象为是这样形成的:在引力的作用下,星际物质会在10~100K的温度时凝结成多个原始星云。恒星通常是在星团中诞生的,尤其是直径为20~400光年的壮观的球状星团。除了球状星团外,还有直径为5~30光年的开放星团。具体就太阳而言,原始星云甚至超出了冥王星运行的轨道。当这样的原始星云的最小密度达到每立方厘米10–13克时,它就会以自由落体的速度塌缩。据估计,太阳在10年内就从相当于冥王星轨道大小收缩到相当于水星轨道大小。如此快速的收缩造成压力和温度的急剧大幅提升。因此,就重新产生了相当于宇宙早期的条件,只是此时的条件更有利于较重原子核的合成。宏观进化成了已停滞的微观进化的助推器。
氢、氦云团走向塌缩并继而形成恒星有多个不同的理由。首先,塌缩有可能是自发发生的,即云团发生随机碰撞,而碰撞导致云团物质积聚变大。而一旦此类云团的密度达到一定程度且引力足够强,就足以把物质拉到一起形成恒星。但也有可能是某种外部力量的触发——比如较大的恒星诞生,来自外部的巨大能量使周围较轻的化学元素迅速致密到一定程度,然后引发了造星的连锁反应。[19]此外,行将毁灭的恒星发生大爆炸也会把松散的物质聚拢到一起,然后在引力的作用下实现物质的致密。但无论如何,是能流过物质最终造成复杂星体的涌现。
渐成中的恒星一旦变得体积和密度都足够大,核聚变的金凤花条件很快就会具备。恒星内核受引力作用会产生极大的压力,压力把氢核挤压得非常紧密。与此同时,恒星收缩释放的引力能把内核的温度提升到极高的程度,从而引发核连锁反应,把4个氢原子核熔炼成1个氦原子核。在这一过程中,只有极少量的物质转化成能量,而基本粒子在原子核内的重新排列也会释放出能量。这种核聚变反应是两种自然力相互作用的结果:强力把重的基础粒子(重子)拉到一起,电磁力把带相同电荷的粒子彼此推开。因为氢原子核(主要是质子)带正电荷,所以需要很大的压力才能克服电磁力的影响把质子拉到彼此足够近,使强力能够起作用,因为强力只有在非常短的距离内才能发挥作用。
核聚变的金凤花条件发端于刚刚形成的恒星深层内核,起因是引力将物质强力压缩并加热到足够温度。接着,基本粒子在强力的作用下彼此互动,终至形成氦原子核,后者由2个带正电荷的质子和2个中性的中子组成。在不太严格的情况下,中子可被看作是不带电荷的质子。在这一过程中,质子释放出正电荷——也就是正电子(反电子)——而蜕变成中子。
在这种情况下,把质子和中子拉到一起的强力要胜过电磁力,因为中子呈中性,不受电磁力影响,所以实际起到了一种聚合原子核的作用。与此同时,质子释放出的正电子与电子迅速结合,彼此抵消并转化成能。因此,恒星内核处的氢核聚变在制造氦核的同时释放出能量[20],这一能量旋即被排放到恒星的表面并由此进入太空,主要是以电磁辐射的形式。这一过程相当缓慢。比如在当今时代,太阳内核释放的能量要抵达其表面可能需要1万至17万年(对此的估算有很大差异)的时间。
这就是说随着时间的推移,恒星会把氢转化成氦,因而使原初的氢越来越少,并同时以电磁辐射的形式制造熵。不过迄今经历了138亿年的宇宙演化,还只有5%的氢被转化成了氦,而且由上述可知,其同时排放的熵也不过是添加了极少许的电磁辐射,也就在整个宇宙中光子总量的千分之一。
恒星内核处具备的有利核聚变的金凤花条件与前述辐射期的条件非常接近。这就引出了一个极深刻的话题,即标志早期宇宙史的客观条件在当今的恒星——包括太阳——上依然存在,二者的主要差异是,早期宇宙大致是均质的,而当今的恒星及周边环境则不然。换言之,早期宇宙史上金凤花条件普遍存在,但持续时间较短,而在当今,整个宇宙间存在核聚变金凤花条件的地点只是恒星的内核,只是宇宙空间很小的一个部分。此外还有另外一个主要差别:早期的宇宙变化特别快,根本没有多少时间容许核聚变真正发生,而现今的恒星,哪怕是寿命最短的恒星,其核聚变的金凤花条件也要比前者长得多。所以,恒星成了在较小范围内制造更复杂实体最主要的核熔炉,而星际空间的宇宙垃圾场又能容许恒星倾卸自身制造的熵,这样,复杂实体就能够维持下去。
恒星为什么是这样,而不是直接塌缩而后变成中子星和黑洞呢?首先,恒星的金凤花边界比较低,这样低的边界不容易发生塌缩。在行星——比如地球——上,所有的物质都加起来也不足以让重力战胜电磁力。要真是那样的话,我们人类也就不会问世了。但有人会问:既然所有的恒星都比地球大,那它们自身的重量为什么不会引起塌缩呢?显然,这里有某种力量在阻止塌缩。这种力量正是恒星内核处核聚变产生的外向压力,是它在抗衡引力。这两种力量相互抗衡的结果,就是恒星变成了一种动态稳态体系,而且只要核燃料还足够用,就会继续保持这样的状态。究其实质,依然是能流过物质在维持恒星本身的复杂性,使其不至塌缩成为高密度、低复杂度的实体存在。
正如同早期宇宙的快速膨胀阻止了化学元素转变成最稳定的铁元素一样,恒星内部的核聚变——其实是上述过程的某种延续——延迟了恒星本身在引力的作用下蜕变为最稳定的黑洞。对此,于贝尔·雷弗是这样说的[21]:
晴空的夜晚,当我们仰望闪烁的繁星,看到群星发散出五颜六色的光子,我们实际上是在目睹延迟的核力量如何阻止了引力把凡物冻结。
恒星身上强力与引力的这种微妙平衡造就了更为复杂实体生发的可能性。当然了,这一过程总免不了熵增的代价。
就这样,恒星成了最早的能够自我调节的实体结构。其工作原理如下:引力的缩压造成恒星内核温度增加,从而加速了核聚变。核聚变释放出更多的能量,致使恒星膨胀。而恒星的膨胀使其自身温度下降,从而减缓了核聚变的进程。这样,恒星释放的辐射量就减少了,所以继续缩压。正是这种负反馈循环使恒星变成一种具有自我调节能力的动态稳态体系,只要核燃料还没有最终耗尽,就会持续维持自身的复杂性。[22]
恒星自最初形成以后,便不再需要从外界获取物质和能量以维持自身的生存,条件是引力持续施压、核聚变持续进行。这一点与生物不同:凡生物都必须持续不断地从外界提取物质和能量才能维持自身的生存,而恒星则不需要,后者只要引发核聚变就可以持续不断地发光了。
恒星的大小也是有一定的金凤花幅度要求的,最小的只有太阳质量的1%,最大的则是太阳质量的200倍左右。[23]如果再小,那氢、氦簇团就不会引发核聚变,因为引力造成的压力不够,而且初始形成中的恒星往往体积很大,不会因自身的重量塌缩为黑洞。如果恒星过大的话,那么核聚变的速度也会很快,所以只能存在相对很短的一段时间。最大的恒星只能存活12,500年左右。正因如此,早期形成的超大恒星早已不复存在了,而其附近的巨型恒星肯定都是新近形成的。相比之下,小型的恒星消耗燃料的速度很慢,所以,最小的恒星能够存在1.6兆年。也就是说,时至今日,无论其是何时形成的,所有的小恒星都还处于幼年时代。究其根源,大小恒星在寿命上的差异还是大恒星燃氢化氦的速度比小恒星快,大恒星虽然储备的燃料更丰富,但其燃烧的速度要快得多。
因为大恒星比小恒星核聚变的速度要快,所以其功率密度要大很多。但是大恒星是否一定复杂度更高,这一点我不是很清楚。以下观点是值得考虑的:小恒星需要的能流相对较少,却能达到相当的复杂程度。若仅从这一点考虑,那么小恒星当然比大恒星更节能。
按照埃里克·蔡森的观点,从长远看,宇宙演化是一种非随机消除(nonrandom elimination)的过程,那些体积较大、耗能过快的恒星之所以被消除就是因为它们存在的时间相对较短。[24]这就等于说:小恒星活得长,自然是胜者了。不知这样说是否合适:即使在宇宙演化的过程中,节能也是能够存活下来的重要长项。我们后文还会讲到这个问题。
在宇宙演化的叙事中,埃里克·蔡森更喜欢使用“非随机消除”一词而不是“自然选择”或“物竞天择”(natural selection),因为自然界没有所谓选择者。“非随机消除”一词是美国生物学家恩斯特·迈尔(Ernst Mayr,1904—2005)最先提出的。[25]蔡森有关宇宙演化的观点比查尔斯·达尔文和阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士有关生物界“自然选择”规律的概念更宽泛一些。与生命体不同,恒星没有所谓家族世代相继并争夺有限的资源。此外,恒星也不会积累信息或知识以更好地适应不断变化的环境。还有一点不同于生命体,恒星和星系虽然也复杂,却不会适应。