(讓我們考慮一下)現在大多數物理學家的觀點,也就是,太陽及其所有的行星最終將變得對於生命來說過於寒冷,除非真的有什麼大型天體衝進太陽係,重新賦予其生命——由於我相信,在遙遠的未來,人類將變得比現在完美得多,所以,人類和其他生物在經曆如此漫長的進化之後最終會注定歸於滅絕這種想法是不可接受的。
——查爾斯·達爾文(Charles Darwin)
根據挪威傳說,最後審判日,或者叫做“Ragnarok”,意思是天神隱沒時分,將會伴隨著大洪水。塵世(Midgard)與天堂都將像被鐵鉗夾住般陷入徹骨冰寒之中。刺骨的寒風、撲麵的暴風雪、毀滅性的地震和饑荒在大地上肆虐,男女老少大批死亡。有三個這樣的冬天就會使地球癱瘓,沒有喘息的機會,貪婪的狼群會吞掉太陽和月亮,使世界完全陷入黑暗。天上的群星墜落,大地顫抖,山崩地裂。亂世之神洛基(Loki)逃逸,群魔掙脫束縛,在荒涼的大地上散布戰爭、混亂和不和。
眾神之父奧丁(Odin)將在瓦爾哈拉(Valhalla)最後一次召集他的勇士進行最後一搏。最終,隨著眾神逐個死去,邪神蘇圖爾(Surtur)噴出火和硫黃,點燃巨大的地獄之火,吞滅整個天地。當整個宇宙陷入火海之中的時候,大地陷入海洋,時間停止。
但從這場劫後灰燼之中,新的起始在孕育。與過去不一樣的一個新的大地從海中升起,新的果實和奇異的植物從肥沃的土壤中泉湧而出,催生出一個新種族的人類。
在維京人(Viking)的傳說中,世界末日的淒慘景象是嚴寒、烈焰和最終的廝殺。在世界各地的神話中,類似的題材都可以找到。世界的末日伴隨著巨大的天災,通常是大火、地震或是暴風雪,最後是一場正義與邪惡的戰鬥;但也包含著希望的信息,從灰燼中一切重新開始。
科學家們麵對無情的物理定律,現在也必須麵對同樣的主題。與篝火旁傳播的神話不同,科學家們對宇宙終結的看法要由硬數據說了算。但是,科學界恐怕也要普遍接受類似的景象。從愛因斯坦方程得出的各種解中,我們同樣看到,未來可能也要包括嚴寒、烈火、天災以及宇宙的終結。但是最終的再生又在哪裏呢?
根據從 WMAP 衛星得到的一幅照片,有一股神秘的反引力正在使宇宙的擴張加速。如果這一情況持續幾十億年到幾萬億年,宇宙最終將達到“大凍結”,與預兆著眾神隱沒的大暴雪相似,使所有我們所知的生命終結。這種把宇宙推開的反引力與宇宙的容積成正比。於是,宇宙變得越大,把星係互相推開的反引力就越大,這反過來又使宇宙的容積更大。這一惡性循環無止境地重複下去,直至宇宙進入失控狀態,並以指數冪的速度增長。
最終,這將意味著,由於幾十億個鄰近星係飛速越離了我們的事件穹界(event horizon),整個的可見宇宙中隻剩下本星係群(Local Group)中的 36 個星係。隨著星係間的空間以比光速更快的速度擴張,宇宙將變得孤寂到令人恐怖的地步。溫度隨著能量在空間中散布得越來越稀薄而跌落。當溫度跌到接近絕對零度的時候,智慧生命的大限就到了:他們將被凍死。
熱力學三定律
如果整個世界像莎士比亞所相信的那樣是個大舞台,那麼最終一定會有個“第三幕”戲。在第一幕中,我們有了大爆炸,最終在地球上產生了生命和意識。在第二幕中,可能我們還活著,對恒星和星係進行探索。最後,到了第三幕,我們麵臨著宇宙在大凍結中最終死去。
最終,我們將發現,這個劇本隻能遵循熱力學定律。19世紀,物理學家們計算出了支配熱物理學的熱力學三定律,並開始思索宇宙的最終之死。1854年,偉大的德國物理學家赫爾曼·馮·海姆霍茨(Hermann von Helmholtz)發現,熱力學定律可以應用於整個宇宙,也就是說,我們身邊的一切,包括恒星和星係,最終都不免消耗殆盡。
第一條定律說[20],物質和能量的總量守恒。雖然能量和物質可以相互轉換(通過愛因斯坦的著名方程式 E=mc2),但物質和能量的總量永遠不能被創造或銷毀。這條定律反過來又意味著,根據已知的物理學定律,號稱可以“無代價獲利”的“永動機”是不可能的。
第二條定律是最神秘也是最深奧的。它說宇宙中熵(混沌或無序)的總量隻能永遠增加。換句話說,一切事物最終必然老化和耗盡。森林起火、機器生鏽、帝國消亡、咖啡混合、人體老化,所有這一切都代表宇宙中的熵增加了。例如,要點燃一張紙是很容易的。這對總的混亂度造成淨增加。然而,要把燃起的煙再恢複為紙則是不可能的。(加上機械作用之後,熵可以被降低,例如冰箱,但這隻是在很小的鄰近範圍內;整個體係中熵的總量,這指的是冰箱再加上它所在的整個環境,永遠隻會增加。)
亞瑟·愛丁頓有一次談論到第二定律:“我認為,熵永遠增加的定律,也就是熱力學第二定律,在大自然法則中占到至高無上的地位……如果你的理論被發現違反了熱力學第二定律,我可以告訴你,你的理論是沒有希望的;除了在奇恥大辱中失敗,你什麼也得不到。”
(起初,地球上存在著形形色色的複雜生命這一現象看來似乎違反了第二定律。在早期地球的混沌之中出現了複雜的生命形式,種類多到難以置信,甚至還孕育出了智慧生命和意識,這似乎完全是一種無中生有的過程,它使熵的總量降低了,這看起來令人驚異。有些人認為這一奇跡證明有仁慈的造物主在插手其間。但是不要忘了,生命是由自然進化法則推動的,而且熵的總量仍在增加,因為太陽在不斷地為生命添加燃料。如果我們把太陽和地球包括進去,熵的總量還是增加了。)
第三條定律說,沒有任何冰箱可以達到絕對零度。你可以達到離絕對零度隻有分毫之差,但你永遠達不到零運動的狀態。(而且,如果我們把量子原理包括進去的話,這意味著分子中將永遠有一小點能量。這是因為,零能量意味著我們可以知道每個分子的準確位置和速度,而這就會違反測不準原理。)
如果把第二定律應用於整個宇宙,那就意味著宇宙最終將耗盡。恒星將耗盡其核燃料,星係將停止照亮天空,宇宙中將隻剩下一堆無生命的死矮星、中子星和黑洞。宇宙將陷入永恒的黑暗。
有些宇宙學家想要借助一種振蕩宇宙學說來逃避這一“熱寂”。隨著宇宙膨脹以及最終收縮,熵會繼續增加。但在大坍縮之後,還不清楚宇宙中的熵會發生什麼變化。有些人認為,也許宇宙在下一個周期隻是原樣再重複一次。更現實的想法是,熵會在下一個周期中延續,這意味著宇宙的生命周期會隨著每增加一個周期而逐步加長。但不論人們怎樣看這個問題,振蕩的宇宙,與開放的和封閉的宇宙一樣,最終結果都是毀滅一切智慧生命。
大坍縮
用物理學來解釋宇宙終結的第一次嚐試,是 1969 年由馬丁·裏斯爵士寫的一篇論文,題名“宇宙的坍縮:末世研究”。在那個時候,奧米伽的值還基本沒人知道,所以他把它假定為 2,這意味著,宇宙最終將停止膨脹,並在大坍縮中,而不是大凍結中死去。
他計算出,宇宙的膨脹終將停息,星係的距離將是今天的兩倍遠,引力終於克服了宇宙原來的膨脹。我們現在看到的太空中的紅移現象,將因星係競相朝我們飛來而變為藍移。
根據這一說法,距今大約500億年以後,天災事件將會發生,預示宇宙的垂死掙紮。最終大坍縮之前1億年,宇宙中的星係,包括我們自己的銀河係,將開始互相碰撞,最終融合。他發現奇怪的是,由於有兩個原因,單個的恒星甚至在發生互相碰撞之前就會自行解體。第一,太空中其他恒星的輻射將隨著宇宙收縮而提高能量,這樣,恒星將浸沒在其他恒星炙熱的藍移光中。第二,微波背景輻射的溫度將隨著宇宙的溫度急劇攀升而大為加強。這兩種作用加在一起所產生出來的溫度將超過恒星的表麵溫度,使其吸收熱的速度快於釋放熱的速度。換句話說,恒星可能會解體,變成超高溫度的氣體雲而消散。
在這樣的環境下,智慧生命受到鄰近恒星和星係傾瀉而下的宇宙高溫炙烤,將不可避免地消失,無可逃遁。正如弗裏曼·戴森所寫的:“我不得不承認,在這種情況下我們不可能逃脫被煎炸的命運。不管我們向地球內部挖得多深,以求遮避藍移背景輻射,我們也隻能把悲慘的終結推遲幾百萬年。”
如果宇宙最終走向大坍縮,那麼剩下的問題就是,宇宙會不會像振蕩宇宙說那樣坍塌而後再生。這是波爾·安德森(Poul Anderson)的小說《τ零度》(Tau Zero)中所采用的場景。如果宇宙完全符合牛頓學說,那麼,如果星係被互相向對方擠壓的時候有足夠的側向運動,這是有可能的。在這種情況下,恒星可能不會被擠壓成單獨一個點。它們可能在擠壓力最大的點上互相錯開,然後彈開,而不是互相碰撞。
然而宇宙遵循的不是牛頓學說,而是愛因斯坦的方程式。羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)和斯蒂芬·霍金證明,在最尋常的條件下,一堆坍縮擠壓的星係必然被擠壓成一個奇點。(這是因為星係的側向運動有能量,因此會與引力相互作用。這樣,愛因斯坦理論中的引力就要比坍塌宇宙說所運用的牛頓理論中的引力大得多,於是宇宙就坍縮為單一一個點。)