宇宙会永恒存在吗?

文/青松悟语

上大学的时候,我的同桌是一位沉默寡言的人,每逢人和他搭讪,他也总是淡淡的笑笑。有一次我和他探讨起人生的意义,他的回答是:人生没有意义。我问为什么,他说,没有永恒就没有意义。

这让我想起了苏东坡在前赤壁赋里和朋友之间的问答。其实与其说是苏东坡在回答朋友的疑问,倒不如说是苏东坡在回答另一个自己。而这个话题的核心正是如何定义永恒。

人类始终有一个关于永恒的情结,总希望能够有一种永恒的存在。如果不能够永恒,那么在时间的长河里,一秒钟和100亿年本质上又有什么分别呢?如果说万物有生必有灭,那么宇宙呢?宇宙会永远存在吗?

美国科幻作家艾萨克·阿西莫夫在他的小说《最后的问题》里描绘说,当人类解决了长生不老和幸福快乐等等所有的问题之后,这个时候人类还剩下最后一个问题,那就是按照热力学第二定律,宇宙中的熵增是不可逆的,万物终将归于虚无,宇宙将变成一片永远沉寂的光子的海洋,不再有任何变化,时间也失去了意义。人类为了解决这个问题,联合多国的顶级科研人员,研制了一台超级计算机“超脑”。于是人们问“超脑”:宇宙中的熵增可以被改变吗?“超脑”给出的答案始终是“数据不足,无法作答。”

最后一次,人类面临毁灭前最后一次绝望的问:“这就是结局了吗?这种混乱还能被逆转成为一个新的宇宙吗?真的做不到逆转熵增吗?”“超脑”沉默了很久很久,久到已经没有人类了,它突然自言自语地说“要有光”。

那么,什么是热力学第二定律呢?它为什么会决定宇宙的生死?

热力学第二定律又叫熵增定律,是克劳修斯提出的热力学定律,克劳修斯引入了熵的概念来描述这种不可逆过程,即热量从高温物体流向低温物体是不可逆的,其物理表达式为:S =∫dQ/T或ds = dQ/T。简言之,在一个孤立系统里,如果没有外力做功,其总混乱度(即熵)会不断增大。就像房间如果你不努力的去维护的话,它会越来越乱,一杯热水放在桌子上,它会慢慢变冷一样。由于熵不断在增加走向它的最大值,因此宇宙一旦到达热动平衡状态,就完全死亡。这种情景称为“热寂”,这时,宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在。宇宙就消亡了。

如果按照熵增定律和宇宙学推论,宇宙将最终变成一片永远沉寂的光子的海洋,没有任何变化,连时间也失去了意义。

也许你会说,不对啊,我们观察到的现象不仅只有熵增,也有熵减啊,比如说房间我们不打扫它会乱,但是我们打扫的话,它不就变得整洁了吗?人的生长不也是熵减的吗?

是的,有熵增当然也有熵减。可是想要熵减必须是一个开放系统,有外在的物质和能量进行交换。人的生长也是一个负熵的过程。之所以是一个负熵的过程,是因为人也是一个开放系统,人通过和系统外的物质和能量进行交换,才能够维持生存。比如人类吃各种各样的食物,来为自己维持生长,增加营养、增加能量,如果人什么东西都不吃,也不呼吸外在的空气,那就只有熵增。就像一颗种子变成大树,一定要吸收外在的空气、阳光、雨露、土壤里的养分等等,才能够茁壮成长。如果没有外在的这些物质和能量,同样也只有熵增,不会产生负熵。

有的朋友会说,耗散结构理论可以对抗熵增定律。

耗散理论的前提同样是必须是一个开放的系统,也就是说在这个开放的系统的内部和这个系统的外部的物质和能量进行交换的时候,会产生负熵流从而实现逆转。但是既然叫宇宙就包括了所有的物质和所有的能量,它的外面已经没有东西可以跟它交换了。

熵增定律的结论是:宇宙终将消亡。

很多科学家无法接受这一现实,从心理上不能够认同,于是采取种种方式想要推翻熵增定律。但现在看来这些假说无疑都是徒劳的。虽然熵增定律争议还很大,但至少目前还没有哪一个理论能够完全推翻它。人们之所以尝试着从各种角度想要推翻它,只是不希望没有永恒的结果,因为这样看起来宇宙和人生实在太无趣了。但请不要忘记英国物理学家爱丁顿曾说:“我认为,熵增原则是自然界所有定律中至高无上的。如果有人指出你的宇宙理论与麦克斯韦方程不符,那么麦克斯韦方程可能有不对;如果你的宇宙理论与观测相矛盾,嗯,观测的人有时也会把事情搞错;但是如果你的理论违背了热力学第二定律,我就敢说你没有指望了,你的理论只有垮台。”

那么,宇宙还有没有另外的可能呢?

这让我想起我在第一次听到宇宙大爆炸理论时候的反应。当时的想法是:如果宇宙是大爆炸产生的,它会越来越大,大到极致的时候,一定又会重新回归到一个极小的点。宇宙就像一个伸缩球,由一个点爆炸而产生巨大无比的大球,然后大球又坍缩回那个原点,循环往复。后来当我看到了理论物理学的一些研究成果之后,我才发现我的这些奇思妙想居然有物理学的支持。而这就是宇宙未来的第二种可能:大坍缩。

按照这一理论,宇宙在膨胀到顶点之后,就会向内坍缩,刚开始坍缩的时候人们感觉不到,但是随着时间的推移,坍缩越来越紧迫。

当宇宙坍缩到现在宇宙大小的时候,它将会以更快的速度坍缩。在大约35亿年后,宇宙的尺度将减半。100亿年后,宇宙微波背景辐射温度的上升将成为一个严重的威胁,地球将完全不适合居住。宇宙极速坍缩,每几百万年就会缩小一半。任何仍然存在的星系都将无法被识别,因为它们合而为一了。天文学家马丁·里斯对坍缩的宇宙进行了研究。通过应用一般的物理原理,他建立了宇宙最终坍缩阶段的图像。“最终,宇宙将会慢慢地变成一个无所不包的宇宙熔炉,宇宙空间充满了炽热的气体等离子体,它们一直在猛烈地燃烧,变得越来越热。宇宙的温度最终变得极高,原子核也解体了,物质被剥离成了一锅均匀的基本粒子汤。持续了数万亿年的稳定的原子核结构,此时会被彻底摧毁。随着坍缩的速度越来越快,物质被强烈地压缩,以至于单个质子和中子不复存在,只剩夸克汤。在最后的时刻,引力变成了主导力量,无情地粉碎了物质和空间。时空曲率不断增大。越来越大的空间区域被压缩到越来越小的体积之内。根据传统理论,内爆将在奇点处变得异常强大,将粉碎一切物质,包括空间和时间本身。大爆炸时从虚无中诞生的宇宙将会在大坍缩中化为虚无。”

你可能会说,那这也不是宇宙的永久灭亡吧,坍缩到一个奇点之后会再次爆炸膨胀为一个宇宙啊!是的,但是那个新生的宇宙跟你我都毫无关系了。坍缩到最后,所有的基本粒子都已不复存在,时间空间都已不复存在,新诞生的宇宙一切都是全新的,与现在毫无关系。

我的推论是双宇宙或多宇宙伸缩说。两个宇宙,一个不断膨胀,一个不断坍缩。甲宇宙从奇点膨胀成极大的过程,正是乙宇宙从极大坍缩到奇点的过程。两个宇宙相反运动,循环往复,永无止境。亦可是无穷多个宇宙在同时膨胀和坍缩。它们同在一个空间,之所以不被看到是因为遵循的物理常量不同。我们的宇宙可能是高一个能级宇宙的一粒尘埃,我们的一粒尘埃可能是低一个能级的整个宇宙,小到极处即是大,大到极处即是小,所谓的大与小,膨胀与坍缩,其实只不过是所看的角度不同罢了。

对于坍缩理论,有的专家提出了另外一个观点:当宇宙中的引力和暗能量之间的推动力达到极致,无法协调时,就会引发宇宙的大撕裂,这时候宇宙中的恒星、星系,所有的物质都会被一一撕裂成基本粒子。这就是宇宙的第三种可能:大撕裂。

然而,相对于前三种宇宙的结局,接下来的第四种宇宙结局可能更加令人担忧。这就是:真空衰变。

1980年,物理学家西德尼·科尔曼和弗兰克·德·卢西亚在《物理评论》期刊上发表了一篇题为《引力对真空衰变的影响以及真空衰变对引力的影响》的论文。宣告了真空衰变研究的开启。

我们平常所说的真空并非真的真空。里面是被短暂的量子填充的,各种虚粒子不断产生不断消失。真空是有能量态的。

就像水总是从高处流向低处一样,高能量态总是趋向于衰变为低能量态,并最终衰变到最低能量,即稳定的基态。同样,伪真空会衰变为最低能量态的真真空。这就是真空衰变。而我们的宇宙目前是伪真空。也就是说,最终我们的伪真空会衰变成真真空。而这种衰变就意味着宇宙的毁灭。科尔曼和德·卢西亚用数学方法模拟了真空的衰变,以追踪这种现象的发生方式。他们发现,衰变从空间中的一个随机位置开始,以一个真真空的小气泡的形式出现,周围是不稳定的伪真空。一旦真真空的气泡形成,它将以接近光速的速度快速膨胀,吞没越来越大的伪真空区域,并瞬间将其转化为真真空。它将横扫整个宇宙,经过时遇到的一切事物都会被瞬间摧毁。

正如英国哲学家伯特兰·罗素的那段名言:所有时代的劳动结晶,人类天才的所有奉献、所有灵感、所有光华,都注定会消亡,象征整个人类成就的神殿也将不可避免地被掩埋在宇宙的废墟下。所有这些宇宙终将毁灭的理论,即使不是完全无可争议的,也几乎是确定无疑的,所有哲学都无法否定它们的真实性。

看到这里,也许你会有些许的悲观。的确,从科学的角度来看,大部分宇宙结局的推论,都是宇宙终将毁灭。然而事实真的如此吗?我们以后会继续讨论,也许下一次你会看到一篇乐观的文章。

我想说的是,即使宇宙和万物都不能够永恒,我们仍然不会放弃意义。意义不是寻找的,而是赋予的,你赋予它什么意义,它就有什么意义。

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