宇宙的演化8——宇宙的末日

作為一個合格的理論,它還必須能夠預(yù)測未來,我們整個宇宙的未來。就像拉普拉斯所認(rèn)為的,只要我們能夠了解每一個原子的位置和動量,并且能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,那么,未來就是確定的?,F(xiàn)在,雖然我們還不能了解宇宙中每一個原子的狀態(tài),但是,通過科學(xué)家構(gòu)建的理論模型,我們還是可以對宇宙的未來進(jìn)行預(yù)測。

為了一窺宇宙的未來,我們重新再來回顧一下熵這個概念。熵就是對隨機(jī)性的度量,熵增就是不確定性的增加,世界變得更加無序和混亂。這就像我們從小就教育我們的孩子要學(xué)會收拾玩具、分類整理,樂高玩具用一個盒子裝,游戲卡片用另一個盒子裝,這個就是有序,分類的過程就是熵減的過程。孩子開始玩的時候,把所有玩具全部倒在地上,完全打亂了原來的秩序,這就是熵增。

熵增即是趨向于無序

熱力學(xué)第二定律告訴我們,熱量不能自發(fā)地從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體,也就是說,孤立系統(tǒng)中熵增是不可逆的。一盆熱水倒入一盆冷水,最終水溫將趨向一致,不再有分別。差異和分別即秩序。在一個孤立系統(tǒng)中,所有的秩序最終都將消失。

從熱力學(xué)第二定律,我們可以推導(dǎo)出一個令人沮喪的結(jié)論:宇宙作為一個孤立系統(tǒng),隨著時間的推移,它的熵會趨向于極大值,一切機(jī)械的、物理的、化學(xué)的、生命的等多種多樣的運(yùn)動逐漸全部轉(zhuǎn)化為熱運(yùn)動,最終達(dá)到處處溫度相等的熱平衡狀態(tài),這時一切變化都不會發(fā)生,宇宙處于死寂的永恒狀態(tài)。

我們看到,地球上的生態(tài)圈似乎是個循環(huán)系統(tǒng),它打破了熵增的魔咒。那是因?yàn)椋粩嗟貜牡厍蛭召Y源,從太陽吸收能源。但是,總有一天,太陽內(nèi)部的核聚變原料會消耗殆盡,這顆核動力能量球最終會熄火,分解。到那時,地球沒有了太陽能量的輸入,所有的生態(tài)圈將歸于塵土。

當(dāng)然,也許人類可以緩解這一過程,通過人造核聚變反應(yīng)堆來為整個生態(tài)圈提供能量。但是核原料也終將被消耗殆盡。事實(shí)上,人類的活動加速了原料的消耗,使得地球?qū)⒏斓剡M(jìn)入熱寂狀態(tài)。所有的恒星在消耗完原料之后,最終都會冷卻下來,宇宙將變成冰冷的黑夜,星球的墳場。

麥克斯韋妖

為了對抗熵增的力量,麥克斯韋設(shè)想了一種可能性。一個絕熱容器被分成相等的兩格,中間是由“精靈”控制的一扇小“門”,容器中的空氣分子作無規(guī)則熱運(yùn)動時會向門上撞擊,“門”可以選擇性的將速度較快的分子放入一格,而較慢的分子放入另一格,這樣,其中的一格就會比另外一格溫度高,這樣就實(shí)現(xiàn)了孤立系統(tǒng)的熵減。人們把這只守門的精靈稱為麥克斯韋妖。

當(dāng)然,這樣的妖是不存在的。獲取分子運(yùn)動的信息,以及控制閥門的開關(guān)都需要做功,因此需要外界能量的輸入。這也是為什么永動機(jī)永遠(yuǎn)無法設(shè)計(jì)出來,因?yàn)槿魏纹渌问降哪芰孔罱K都會轉(zhuǎn)化成熱能散失掉。但是,如果將一個孤立系統(tǒng)替換為開放系統(tǒng),我們就會看到,秩序逐步形成,熵減成為可能。

比如,生命的演化從單細(xì)胞到多細(xì)胞,是從無序到有序以致高度有序的過程。再如,西瓜生長時,土地干得很,水不僅不會從西瓜里滲到泥土里去,反而會從泥土里聚集到西瓜里去; 又如海帶和紫菜能把海水里的碘集中起來,這些過程都是違背熵增原理的。

世界不會自動趨向于有序

科學(xué)家稱這種現(xiàn)象為自組織現(xiàn)象。自組織現(xiàn)象需要和外界交換能量。比如,城市就是典型的自組織結(jié)構(gòu),它不斷靠外界供給材料 (各種消費(fèi)資料和建筑材料),并不斷把廢品排出到外界去,也就是通過與外界的物資交流,從外界取得能量和負(fù)熵 (把熵給予外界),才得以維持和發(fā)展,一旦與外界的交流斷絕了,便趨于停滯和死亡,最后變?yōu)闊o序的廢墟。

自組織系統(tǒng)本身的熵減少了,但是作為代價,環(huán)境中的熵卻增加了,而且,增加的熵一般都會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于減少的熵,因?yàn)槿魏文茉炊紵o法100%的被利用,中間的消耗都轉(zhuǎn)化為熵。我們無法估量,宇宙大爆炸從奇點(diǎn)釋放了多大的能量,這些能量隨著宇宙的持續(xù)膨脹慢慢冷卻。但是,宇宙卻在四種力的作用下聚沙成塔,自組織成了一個萬千世界。但是,宇宙秩序的建構(gòu)事實(shí)上極大地加速了熵增效應(yīng),使得宇宙更快地走向終結(jié)。

我們知道,在大約65億年之后,太陽中心部分的氫氣將會燃盡。這顆星球向內(nèi)收縮的引力和核聚變產(chǎn)生的向外支撐力之間的平衡將被打破,太陽將向內(nèi)坍縮成白矮星,并失去所有的熱量。能夠存活下來的行星和太陽將全部被凍結(jié)成宇宙中的寂靜塵埃。

太陽的終結(jié)并不意味著宇宙的終結(jié),但它預(yù)示了宇宙中大量類似恒星的宿命。還有許多其他的恒星可能以不同的形式走向各自的命運(yùn)終途,但其結(jié)果大同小異,最終所有的恒星都會在這浩淼無垠的宇宙中耗盡最后一滴能量。

宇宙的終結(jié)也許是一場漫長的倒帶

但即便是這樣,也還不是宇宙的終結(jié)。美國物理學(xué)家邁克斯.泰格馬克在他的《生命3.0》中給出了他對宇宙命運(yùn)的5種猜測:大冷寂、大擠壓、大撕裂、大斷裂和死亡泡泡。

大冷寂是說,我們的宇宙會永遠(yuǎn)膨脹下去,宇宙最終會被稀釋成一個冰冷和黑暗的空間,一片荒蕪死寂,就像我前面所描述的。大擠壓則像是大爆炸的反向倒播,在萬有引力的作用下,越來越多的星系物質(zhì)被匯聚到一起,從而不斷增強(qiáng)引力的作用,最終超越宇宙膨脹之力,使得萬事萬物再次壓縮到一個奇點(diǎn)。而大撕裂則有點(diǎn)像大冷寂,宇宙中的所有星系、行星甚至原子都將在一段有限的時間里面被撕裂。

泰格馬克對這三種可能的概率判斷分別為:40%賭大冷寂,9%賭大擠壓,1%賭大撕裂。剩下的50%并非壓注給大斷裂或死亡泡泡,而是謙卑地承認(rèn)人類知識的局限性,我們對宇宙的認(rèn)識還非常膚淺,宇宙的終結(jié)可能以我們認(rèn)知以外的任何一種形式出現(xiàn)。

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