作为一个合格的理论,它还必须能够预测未来,我们整个宇宙的未来。就像拉普拉斯所认为的,只要我们能够了解每一个原子的位置和动量,并且能够对这些数据进行计算,那么,未来就是确定的。现在,虽然我们还不能了解宇宙中每一个原子的状态,但是,通过科学家构建的理论模型,我们还是可以对宇宙的未来进行预测。
为了一窥宇宙的未来,我们重新再来回顾一下熵这个概念。熵就是对随机性的度量,熵增就是不确定性的增加,世界变得更加无序和混乱。这就像我们从小就教育我们的孩子要学会收拾玩具、分类整理,乐高玩具用一个盒子装,游戏卡片用另一个盒子装,这个就是有序,分类的过程就是熵减的过程。孩子开始玩的时候,把所有玩具全部倒在地上,完全打乱了原来的秩序,这就是熵增。
热力学第二定律告诉我们,热量不能自发地从低温物体转移到高温物体,也就是说,孤立系统中熵增是不可逆的。一盆热水倒入一盆冷水,最终水温将趋向一致,不再有分别。差异和分别即秩序。在一个孤立系统中,所有的秩序最终都将消失。
从热力学第二定律,我们可以推导出一个令人沮丧的结论:宇宙作为一个孤立系统,随着时间的推移,它的熵会趋向于极大值,一切机械的、物理的、化学的、生命的等多种多样的运动逐渐全部转化为热运动,最终达到处处温度相等的热平衡状态,这时一切变化都不会发生,宇宙处于死寂的永恒状态。
我们看到,地球上的生态圈似乎是个循环系统,它打破了熵增的魔咒。那是因为,它不断地从地球吸收资源,从太阳吸收能源。但是,总有一天,太阳内部的核聚变原料会消耗殆尽,这颗核动力能量球最终会熄火,分解。到那时,地球没有了太阳能量的输入,所有的生态圈将归于尘土。
当然,也许人类可以缓解这一过程,通过人造核聚变反应堆来为整个生态圈提供能量。但是核原料也终将被消耗殆尽。事实上,人类的活动加速了原料的消耗,使得地球将更快地进入热寂状态。所有的恒星在消耗完原料之后,最终都会冷却下来,宇宙将变成冰冷的黑夜,星球的坟场。
为了对抗熵增的力量,麦克斯韦设想了一种可能性。一个绝热容器被分成相等的两格,中间是由“精灵”控制的一扇小“门”,容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击,“门”可以选择性的将速度较快的分子放入一格,而较慢的分子放入另一格,这样,其中的一格就会比另外一格温度高,这样就实现了孤立系统的熵减。人们把这只守门的精灵称为麦克斯韦妖。
当然,这样的妖是不存在的。获取分子运动的信息,以及控制阀门的开关都需要做功,因此需要外界能量的输入。这也是为什么永动机永远无法设计出来,因为任何其他形式的能量最终都会转化成热能散失掉。但是,如果将一个孤立系统替换为开放系统,我们就会看到,秩序逐步形成,熵减成为可能。
比如,生命的演化从单细胞到多细胞,是从无序到有序以致高度有序的过程。再如,西瓜生长时,土地干得很,水不仅不会从西瓜里渗到泥土里去,反而会从泥土里聚集到西瓜里去; 又如海带和紫菜能把海水里的碘集中起来,这些过程都是违背熵增原理的。
科学家称这种现象为自组织现象。自组织现象需要和外界交换能量。比如,城市就是典型的自组织结构,它不断靠外界供给材料 (各种消费资料和建筑材料),并不断把废品排出到外界去,也就是通过与外界的物资交流,从外界取得能量和负熵 (把熵给予外界),才得以维持和发展,一旦与外界的交流断绝了,便趋于停滞和死亡,最后变为无序的废墟。
自组织系统本身的熵减少了,但是作为代价,环境中的熵却增加了,而且,增加的熵一般都会远远大于减少的熵,因为任何能源都无法100%的被利用,中间的消耗都转化为熵。我们无法估量,宇宙大爆炸从奇点释放了多大的能量,这些能量随着宇宙的持续膨胀慢慢冷却。但是,宇宙却在四种力的作用下聚沙成塔,自组织成了一个万千世界。但是,宇宙秩序的建构事实上极大地加速了熵增效应,使得宇宙更快地走向终结。
我们知道,在大约65亿年之后,太阳中心部分的氢气将会燃尽。这颗星球向内收缩的引力和核聚变产生的向外支撑力之间的平衡将被打破,太阳将向内坍缩成白矮星,并失去所有的热量。能够存活下来的行星和太阳将全部被冻结成宇宙中的寂静尘埃。
太阳的终结并不意味着宇宙的终结,但它预示了宇宙中大量类似恒星的宿命。还有许多其他的恒星可能以不同的形式走向各自的命运终途,但其结果大同小异,最终所有的恒星都会在这浩淼无垠的宇宙中耗尽最后一滴能量。
但即便是这样,也还不是宇宙的终结。美国物理学家迈克斯.泰格马克在他的《生命3.0》中给出了他对宇宙命运的5种猜测:大冷寂、大挤压、大撕裂、大断裂和死亡泡泡。
大冷寂是说,我们的宇宙会永远膨胀下去,宇宙最终会被稀释成一个冰冷和黑暗的空间,一片荒芜死寂,就像我前面所描述的。大挤压则像是大爆炸的反向倒播,在万有引力的作用下,越来越多的星系物质被汇聚到一起,从而不断增强引力的作用,最终超越宇宙膨胀之力,使得万事万物再次压缩到一个奇点。而大撕裂则有点像大冷寂,宇宙中的所有星系、行星甚至原子都将在一段有限的时间里面被撕裂。
泰格马克对这三种可能的概率判断分别为:40%赌大冷寂,9%赌大挤压,1%赌大撕裂。剩下的50%并非压注给大断裂或死亡泡泡,而是谦卑地承认人类知识的局限性,我们对宇宙的认识还非常肤浅,宇宙的终结可能以我们认知以外的任何一种形式出现。