读《宇宙的最后三分钟》

已经很久没有哪本书能让我像对《宇宙的最后三分钟》一样在拿到手的第一天就读完了,原因之一是这本书比较薄,另一个原因则是这本书写得非常生动有趣。

对宇宙命运的思考,从某种意义上来说,可以认为是一种忋人忧天,但如果我们真的要思考一些最为严肃的问题,这个问题可能是最不能回避者之一。宇宙是否有开始与结束,涉及到这样一个问题:是否存在真正意义上的永恒。

小学时代曾很喜欢《十万个为什么》系列图书,有一本上曾提到过一些关于宇宙生命的问题。我很清楚地记得,那本出版于上世纪六、七十年代的书上是这样说的:宇宙没有生命的开始,也没有生命的结束。也就是说,那本书认为宇宙是永恒的。这或许也是大多数人对宇宙生命的感觉。但遗憾的是,就我们目前所知,这种认识非常可能是错误的。

热力学第二定律告诉我们,一个封闭系统中的“熵”总是只会增加不会减少,直到达到平衡,这种平衡有个专用名词,叫“热寂”。简单来说,就是通常情况下,热量只会从温度高的地方流向温度低的地方,比如一杯开水放在桌上会慢慢地冷却,水温会慢慢地变得和室温一样,而一杯冰块放在桌上则会慢慢融化,经过足够长的时间后,也会变成温度和室温一样的一杯水。一般情况下,我们不会看到室温条件下一杯水温度不断地升高直到沸腾蒸发,也不会看到室温条件下一杯水温度不断降低直到结成坚硬寒冷的冰块。当然,通过给水加热或冷冻我们可以做到,但是那样会消耗额外的能量,如果把产生这些额外能量的物体也算入系统的话,会发现整个系统中热量还是从高处流向低处,整个系统中的“熵”还是增加的。

熵也可以认为是系统的无序度,说熵的增加就相当于说系统的无序度在增加。关于熵只会增加不会减少的另外一个例子是,我们可以很轻易地把一个玻璃杯子打碎,但是要把它恢复原状却是几乎不可能的事。在这儿,完好的杯子对应着较低的无序度,破碎的杯子则对应着较高的无序度。当然,用某种特殊的技术或许可以再把杯子复原,但如果把使用这种技术所涉及的物体全部算入系统的话,整个系统中的无序度还是有增无减。

熵的伟大的发现是19世纪的科学家作出的,当时人们仅将它用于热力学范畴,但是人们很快发现它其实适用于整个宇宙,因为整个宇宙其实就是一个很好的封闭系统。不过直到很久之后,人们才意识到这个定律如果作用于整个宇宙的话意味着什么,如果说整个宇宙中的熵也是一直在不断增加的话,那么它必定会有一个起点,而且它应该也会归结于热寂。也就是说,只要热力学第二定律是正确的,那么宇宙就不太可能是永恒的,至少,它应该会有一个起点。

进入二十世纪后,科学家们终于找到了关于宇宙起源的证据,创立了宇宙的大爆炸学说,指出宇宙起源于非常久远(但不是无限远)之前的一次大爆炸,目前这个学说在解释宇宙中的各类现象以及观测结果方面是最为成功的,存在的争议通常并不是大爆炸是否真的发生过,而是它发生的确切时间,现代科学家通常认为这个时间应该是150亿年以前。

大爆炸学说在解释了宇宙起源的同时也预言了宇宙可能的结局,在这个学说中,宇宙的命运其实早在它创生的最早三分钟就已经决定了,就像一颗子弹,是否能命中目标其实在它离开枪筒前的一瞬间就已经决定了,剩下的,只是按照物理定律演化而已。这个学说认为,取决于宇宙总质量以及大爆炸的张力的不同,宇宙可能会有三种结局:永远扩张下去、达到某个平衡点并保持平衡、扩张到顶点后向内收缩(坍缩)。

对于永远扩张的结局来说,宇宙的生命将没有终点,宇宙将无限地扩张、存在下去。但宇宙中的总物质是有限的,于是,经过一段非常非常长的时间之后,宇宙的密度将会变得非常非常小,可供智慧生命利用的能量也将变得越来越少。而且,经过足够长时间后,质子也会衰变为正电子,大部分电子和正电子将会相互湮灭,最终宇宙将成为一锅非常稀的汤,近乎真空。

在这种情况下,智慧生命不可能以现在我们这样的形式存在,由于可利用的能量越来越少,那时的智慧生命将不得不放慢思考的速度,如果智慧生命放慢思考的速度与宇宙扩张的速度保持一致的话,对智慧生命来说,他们就感觉不到一切变慢了。随着宇宙的无限扩张,他们的思考速度也将无限放慢,但对于他们自身来说,他们感觉上一切还是以正常速度进行的,并且他们将会有无限的时间来思考无限多个问题。对于这样的生命,书中形象地形容为“慢道上的生命”。

如果宇宙的结局是坍缩,那宇宙将会有一个生命的终点。但对于智慧生命来说,收缩开始的时间点非常重要,如果收缩开始于类似于一亿亿亿亿亿亿亿亿……年这样极为遥远的将来的话,他们将首先面对宇宙变成近乎真空的稀汤的情况,如果收缩开始于近一些的时间,比如一千亿年以后,那又将面对另一种情形。随着宇宙的收缩,宇宙中的背景温度将会不断上升,等升到20摄氏度左右时,像地球这样的行星就将面临灾难:行星上的热量无法辐射出去,冰川将融化,海洋将蒸发,星球上的生命,无论躲在哪儿,都无法躲避炎热(当然,到时的生命或许已进化得适应这种炎热的气候)。再收缩下去,类似于现在地球上的生命形式都将无法生存,夜空将不再是黑色,而是慢慢变成暗红色,再变成红色,再变成黄色、白色……,接着,当环境温度与太阳这样的恒星的温度接近时,恒星的热量无法发射到太空,不得不积蓄在内部,直到达到爆炸的临界点。然后,宇宙的面貌将变化得越来越快,从几百万年一个变化到几万年一个变化,再到几千年一个变化、几百年一个变化……

对于收缩中的宇宙中的生命来说,过程可能要凶险一些,首先要设法在不断升温的环境中生存下来,接着还要面对宇宙生命即将终结的问题。但是,当温度不断增加时,基本粒子的运动也会不断加快,智慧生命或许可以在这样的环境中设法做到让自己思考的速度也同步加快。这样的话,虽然宇宙的生命离终点越来越近,但生存于其中的智慧生命却可以不断加速地思考,甚至可能可以做到在宇宙毁灭前无限短的一瞬间进行无限次思考,这样,宇宙虽然无法避免毁灭的结局,但对于那些智慧生命来说,或许在一切结束之前已经有足够的时间来思考关于生命意义的终极问题了。书中把这种结局的宇宙中的生命形容为“快道上的生命”。

无限扩张与坍缩在很多书上都曾有过介绍,除此之外,《宇宙的最后三分钟》还介绍了另外一种可能。量子理论认为,不存在绝对的真空,我们现在所说的真空,在极短的时间内,里面会突然凭空产生出一些粒子,然后在极短的时间之后它们又凭空消失。所谓的真空,其实是无时无刻不在“沸腾”的。所有的物体都有向更稳定的低能级转换的倾向,包括真空本身。而我们现在这个宇宙中的真空,可能并不是能级最低的“真”真空,而是一种次稳定的“伪”真空,当然,这只是一种可能性。但是,如果不幸的确如此的话,那我们宇宙的“伪”真空就有向“真” 真空转换的可能,根据量子的隧道效应,这种转换可能会在任意时刻任意地点发生,一旦发生了,那么以那一点为中心,我们的整个宇宙都将以光速转换,或说毁灭。这种毁灭是完全无法预测,也完全无法预防,所以书中给这一种可能取了一个可怕而形象的名字,叫“暴卒”。

或许我们的宇宙终究难逃毁灭的命运,但是对于智慧生命而言,除了与宇宙同生死外,是否还有别的出路呢?书中也给予了一定的探讨,比如,书中提到将来的智慧生命体或许能以现在的宇宙为“母宇宙”,创造出若干“婴宇宙”来,当我们的宇宙将毁灭时,就迁移到“婴宇宙”中去。对于这类设想,本书并没有涉及太多,因为毕竟它的主题主要是描述宇宙的结局,关于这个主题,另外一本叫《平行宇宙》的书对此做了详细的探讨,那本书也非常有趣。

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