智慧之窗: (科學與信仰) 水的「演化」史

2019年1月
◇黃小石

我們多以「演化論」與「創造論」為對立,但這看法是有問題的。例如原本宇宙中是沒有水,經過漫長的時間,由於環境的改變,宇宙先有簡單粒子,一步一步形成相對複雜的水分子。這自然演化的過程,不排除在宇宙開始的一刻,卻已經內建整個水的過程了。

水的特質

水是人類最寶貴的資源,人體最主要的成分是水,約佔體重的60%。一般專家認為沒有水,就不可能有生命,故此天文學家想要推斷,天體上是否能找到生命,便先測量那裡,有沒有液態水的存在。水是種非常獨特的液體,它有許多的特性,也是自然界中最重要的溶劑,所以它被稱為生命的溫床。
水的分子量很小,它從兩個氫與一個氧組成,分子量只有18,但它在常溫(攝氏25度)卻是液體而非氣體。比方:甲烷(4個氫一個碳,分子量=16)、一氧化碳(一個氧一個碳,分子量=28)、二氧化碳(分子量=44),這些低分子量的物質在常溫,都是沒有組織的氣體,為甚

麼水是液體呢?

除此之外,水還有許多其他重要的特質,好像水的比重(單位體積的重量),當冷卻到攝氏4度,因密度增高而下沉;只是它繼續冷卻時,體積反之膨脹,尤其在冰的密度比水低7%,冰可以浮於水面上,使水底的溫度不至太低,有助保護水底的生物。
還有水的比熱(增加攝氏一度所需的熱能)高,及水的揮發熱(單位質量的水揮發時,帶走的熱能)低,能維持高水份的生物體溫守恆,讓生命的機制(酶的作用等),有效地進行。

水的來源

既然水這麼奇妙,甚至一切生命都不可缺少,究竟它從哪裡來?若說水由上帝所創造,似乎是幼稚可笑,更不用提及迷信。假如非出自上帝,那它必然是「進化」而來。不過水是沒有生命的,為何會有「進化」之言呢?原來宇宙開始的時候,並未有水的存在,我們(物理學家)知道,水是經過一些自然漸進的步驟形成。
根據廣義相對論及近代天文學的測量,在一百三十八億年以前,時間與空間,或說宇宙,忽然地出現了。至於如何出現?又或為甚麼出現?卻不是近代的科學範疇裡。然而這現象發生後不久,宇宙怎去演化,直到水的出現,我們有相當的知識和證據。當宇宙出現(「大爆炸」或「大霹靂」)約100億億億億億分之一秒(10的負42次方)。其後重力開始跟「強交互作用」,「弱交互作用」,及「電磁作用」力分離。當時宇宙很小,它的直徑只是10億億億億分之一公分,平均溫度約1億億億億度。那刻仍未有物質能夠存在,宇宙中充滿的能量(基本上都是電磁波),僅得「光」而已。
空間出現之後繼續膨脹,宇宙的溫度也隨著降低(空間變大,因而減少單位空間的能量),到「大爆炸」後,100萬分之一秒時,溫度降至只得1萬億(1兆)度。按照愛因斯坦偉大的「質–能轉換公式」,物質才開始從能量中「凝聚」出來,這時的宇宙裡有「亞原子粒子」(sub-atomic particles)。
接著空間再度膨脹,宇宙開始三分鐘後,平均溫度降到10億度,「亞原子粒子」形成了「簡單」的原子核,其主要含有氫(75%)和少部份的氦(25%)。經過三十八萬年,宇宙的平均溫度下降在3000度,此時帶正電的原子核,開始與電子結合爲原子,空間變成「中性」(不帶電),電磁波(光)能夠穿透宇宙,我們方可觀測宇宙最早的時刻。

水的演化史

空間重複地膨脹,宇宙開始三千萬年之後,部份這些物質(只有氫氣與氦氣),於重力的吸引下,先是聚集成星雲,星雲中繼而形成雛型的星球,這些星球在重力不斷的壓縮下,當中產生許多的熱能(抵抗重力壓縮),直到它的溫度高達約1500萬度,高壓下的氫核融合為氦,釋放出大量的熱能,溫度持續增加。據這星球的質量,當氫用盡,核子融合反應產生氖、鈉、氧、鎂等元素。那時宇宙中有氧,當兩個氫遇見一個氧,就自然合成為水。此刻的水多為氣體,不是我們一般稱為的「水」。
太陽系形成後,大約二億年,銀河系亦逐漸形成,再過一百七十億年,太陽系才在銀河系中出現,相隔不久(約二、三億年後)地球已形成了。地球於太空中慢慢冷卻,因它的大小、大氣的成份,離太陽的距離位置剛好,它表面的溫度,正適合液態水的存在。這是地球之水出現的「演化史」。

與生物演化的比較

從某些角度來看,水的「演化」跟生物演化是類似的。以前未有水,只得能量,因為宇宙溫度降低,出現簡單的「亞原子粒子」。當溫度繼續降低,適合簡單的原子核(氫與氦)存在,「亞原子粒子」形成原子核。它慢慢在重力作用下,氫和氦形成了星雲,進而出現星球,星球中心的高溫、高壓環境,導致核融合反應,讓氫融合成氦,再融合為碳、氧等元素。當氫遇見氧,便產生水分子,水分子於地球合適的條件下家,凝聚為水。
這從無到有,基於環境的選擇(溫度、壓力、密度等等),由簡單的「亞原子粒子」,漸漸形成複雜的水分子,是個自然的過程。我們知道水有著奇妙的性質,可是我們不明何以在「大爆炸」的瞬間,就已經「計劃」有水的出現。這神秘的過程是怎麼來,自然律是誰規定,此問題乃不是自然科學能回答的。
「大爆炸」不是演化的一部分,它是演化的起頭。假如一切演化的起頭和規則,不能從此得來,它就不能是水存在的基本原因,萬物生命亦是如此。