鄭勝輝學(xué)習(xí)與思考第1661天

關(guān)于作者

保羅·戴維斯是澳大利亞阿德萊德大學(xué)物理學(xué)教授，世界著名物理學(xué)家，同時也是一位能用簡潔生動的語言解釋深奧科學(xué)概念的大師。

他的研究內(nèi)容包括黑洞、量子場論、宇宙的起源、意識的本質(zhì)和生命的起源等。

關(guān)于本書

在《宇宙的最后三分鐘》里，戴維斯將帶領(lǐng)我們探索“宇宙如何走向終結(jié)”的問題：宇宙會走向結(jié)束嗎？那時的人類又將如何，能夠幸免于難、永遠(yuǎn)存在嗎？保羅·戴維斯將為你介紹關(guān)于宇宙未來的最新理論，帶你破解宇宙終結(jié)之謎。這是一本人人讀得懂的宇宙學(xué)科普著作。

核心內(nèi)容

本期聚焦在三大重要問題：

1.為什么科學(xué)家們相信，宇宙一定會走向滅亡？

2.科學(xué)家們對于宇宙的滅亡，都有哪些猜想？

3.科學(xué)家們要怎么確定，宇宙最終會走向哪種滅亡？

前言

《宇宙的最后三分鐘》。這本書講的是，宇宙會如何滅亡？

宇宙的滅亡，聽起來像是科幻小說才會談到的場景。在我們以往的概念里，宇宙是亙古不滅的?？墒?，科學(xué)家們對于宇宙的研究越深入，就越發(fā)現(xiàn)，宇宙自身作為一個整體，必然會受到物理規(guī)律的制約，物理規(guī)律使得宇宙有自己的生命周期：會誕生、會演化，也會有滅亡。

如果你想了解宇宙的誕生，叫《最初三分鐘》，詳細(xì)描述了宇宙誕生之初的圖景。

你會發(fā)現(xiàn)，這本書和咱們今天說的這本書有點(diǎn)像，一個是「最初三分鐘」，一個是「最后三分鐘」。

這本《宇宙的最后三分鐘》的作者保羅·戴維斯是世界知名的物理學(xué)家，他如此熱衷于研究宇宙，就是因為年輕時被《最初三分鐘》那本書鼓舞。

可以說，保羅·戴維斯就是想給《最初三分鐘》寫一個姊妹篇，所以才有了這本《宇宙的最后三分鐘》。兩本書，一頭一尾，說清楚了宇宙的一生。

接下來，我會分成三部分為你解讀這本書。

第一部分，為什么科學(xué)家們相信，宇宙一定會走向滅亡？

第二部分，科學(xué)家們對于宇宙的滅亡，都有哪些猜想？

第三部分，科學(xué)家們要怎么確定，宇宙最終會走向哪種滅亡？

第一部分

我們先來看第一個問題，為什么科學(xué)家相信，宇宙一定會走向滅亡？

今天的科學(xué)家，有各種各樣的工具，來幫助他們研究宇宙，不論是新的理論還是新的技術(shù)，在這些工具的幫助下，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)宇宙是有終點(diǎn)的。

其實，早在19世紀(jì)，也就是將近兩百多年前，那時的科學(xué)家們，在沒有今天這些先進(jìn)理念、先進(jìn)工具的情況下，只借助兩個思想實驗，就已經(jīng)推斷出，宇宙一定有終點(diǎn)。

我們就來看看這兩個精彩的思想實驗。

第一個思想實驗，叫「奧爾伯斯悖論」。

19 世紀(jì)的德國有一位天文學(xué)家叫奧爾伯斯，他提出的一個問題困擾了天文學(xué)界很多年：為什么夜晚的天空是黑色的？

乍一聽，你可能覺得，這叫什么問題嘛。夜空中沒有太陽，只有星星和月亮，星星和月亮的亮度比不上太陽，所以就黑嘛。

但是，只要再深想一層，你會發(fā)現(xiàn)問題遠(yuǎn)沒有這么簡單。

不管是太陽，還是夜晚的大部分星星，其實都是恒星。咱們假設(shè)每顆恒星的亮度都一樣，其他星星之所以遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如太陽亮，是因為離我們的距離要遠(yuǎn)得多。一顆恒星如果到地球的距離是太陽到地球的2倍，亮度就只有太陽的1/4，如果距離是3倍，亮度就只有1/9，你看，亮度的衰減，是和距離的平方成正比的。

但是如果我們假設(shè)宇宙無限大，恒星的分布是均勻的，咱們在地球周圍就可以畫一個假想的球形，你會發(fā)現(xiàn)，如果球形的半徑變成之前的2倍，這個球里邊包住的恒星數(shù)量就是之前的4倍。恒星的數(shù)量增加，也和距離的平方成正比。

所以，離地球的距離越遠(yuǎn)，恒星的亮度在衰減，但是恒星的數(shù)量在增加，這一減一加其實抵消了。如果宇宙無限大，那么這無數(shù)顆恒星無論多遠(yuǎn)，照在地球上的效果就應(yīng)該像無數(shù)個太陽照射地球一樣。那夜晚怎么可能是黑色呢？

唯一可能的解釋，就是一開始的假設(shè)其實是錯的。宇宙不是無限大，恒星也不是無限多。我們身處的宇宙，雖然廣闊，但是其實是有邊界，有質(zhì)量的。

第二個思想實驗，是德國物理學(xué)家赫爾曼·馮·亥姆霍茲提出來的。

順便插一句，這位馮·亥姆霍茲，可是物理學(xué)歷史上宗師一般的人物。著名的物理學(xué)家普朗克、赫茲，都曾經(jīng)是馮·亥姆霍茲手下的博士生，我們熟悉的能量守恒定律，也是馮·亥姆霍茲提出來的。

馮·亥姆霍茲在咱們剛才聊的那個思想實驗的基礎(chǔ)上，又根據(jù)熱力學(xué)第二定律，做了一個思想實驗，之后他就做出了預(yù)言，宇宙將會走向消亡。

什么是熱力學(xué)第二定律呢？簡單來說，就是在一個封閉的系統(tǒng)里，如果沒有外力的干涉，熱量永遠(yuǎn)是從溫度高的地方流向溫度低的地方，這個過程是不可逆的。

那你可能會說，不對啊。大夏天咱們開空調(diào)，那冷風(fēng)呼呼的，不就是熱量從溫度低的地方傳到溫度高的地方嗎？

請注意，這是因為咱們的屋子，不是一個封閉的系統(tǒng)，存在外力的干涉。如果把空調(diào)的室外機(jī)搬到屋里來，所有的門窗都封上，那才成了一個封閉系統(tǒng)。這個時候再開空調(diào)，那就是一邊制冷一邊散熱，屋子里的溫度是不可能降低的。

宇宙也是如此。熱量的流動也是單相的，我們眼前就有一個很好的例子，那就是太陽。太陽不停地向四周散發(fā)熱量，這些熱量在太空中擴(kuò)散，永遠(yuǎn)不會返回到太陽那里。太陽的能量有一天會耗盡，也就會變得和周圍溫度一樣。

甚至后來，有的科學(xué)家會把熱力學(xué)第二定律和時間的概念綁定在一起。因為熱量的流動也是不可逆的，時間的流動也是不可逆的。所以就有科學(xué)家提出來，時間的箭頭指向的方向，其實就是熱力學(xué)第二定律規(guī)定的熱量流動的方向。

那為什么根據(jù)熱力學(xué)第二定律，就能推斷宇宙的未來呢？因為根據(jù)上一個思想實驗，我們已經(jīng)可以確定，宇宙就是一個封閉系統(tǒng)，宇宙的空間是有限的，星星的數(shù)量也是有限的。所以，不論宇宙多么龐大，星球的運(yùn)行多么復(fù)雜。但是熱力學(xué)第二定律一直會對宇宙起作用，熱量會不停地從溫度高的地方流向溫度低的地方。

所以，馮·亥姆霍茲得出結(jié)論，遲早會有一天，這個宇宙的每個角落，溫度都變得一模一樣。之后，這個宇宙中就不會再發(fā)生任何有意義的物理活動，就像是一灘特別平的水，沒有辦法流動，也不會有任何波瀾。

科學(xué)家們還專門發(fā)明了一個詞，形容這種一潭死水一樣的宇宙。這個詞叫「熱寂」。熱量的熱，沉寂的寂。在馮·亥姆霍茲看來，宇宙間的熱量不再流動，就會讓宇宙歸于沉寂，這就是宇宙的末日。

第二部分

不過，從馮·亥姆霍茲的時代到今天，又過去了一百多年。今天的科學(xué)家對于宇宙的認(rèn)識，已經(jīng)有了翻天覆地的變化。

那接下來，我們來看第二個問題，今天的科學(xué)家們對于宇宙的滅亡，都有哪些猜想？

第一種猜想是延續(xù)之前的熱寂猜想。而且科學(xué)家們找到了更強(qiáng)有力的支持，這就是宇宙大爆炸理論。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，今天的宇宙，它的誕生源自一場大爆炸。宇宙從一個密度極高的點(diǎn)開始擴(kuò)張，之后不停地變大。今天的科學(xué)家對于大爆炸的研究越來越深入，像我們開頭說到的那本《最初三分鐘》，在這本書里邊，科學(xué)家們已經(jīng)可以通過計算，精確地描述大爆炸之后的三分鐘，宇宙都發(fā)生了哪些變化。

今天宇宙運(yùn)行的種種規(guī)律，也幾乎都源自大爆炸時產(chǎn)生的影響。其中一個影響，就是宇宙還在不停地擴(kuò)張，科學(xué)家們通過觀察確定，星系和星系之間的距離并不是固定的，而是在漸漸變遠(yuǎn)。

而宇宙如果繼續(xù)擴(kuò)張下去，不僅未來的宇宙會處處溫度相同，而且宇宙越大，這個最終溫度就會越低，甚至?xí)o限接近「絕對零度」，也就是零下 273.15 攝氏度。越接近這個溫度，粒子的動能就越小，物質(zhì)就會變得越不活躍。

所以宇宙的擴(kuò)張，會讓宇宙更快的歸于沉寂。這就是今天的科學(xué)家們對于宇宙滅亡的第一種猜想。

不過，隨著對宇宙的深入研究，科學(xué)家們對于宇宙如何滅亡出現(xiàn)了第二種聲音。有的科學(xué)家提出來，宇宙不會無限擴(kuò)張下去，那些相信宇宙會一直擴(kuò)張的科學(xué)家，其實忽略了一個關(guān)鍵的因素，那就是引力。

科學(xué)家們觀察那些生命即將走到終點(diǎn)的恒星，發(fā)現(xiàn)這些星星會出現(xiàn)一個很神奇的現(xiàn)象，叫做「引力彈弓效應(yīng)」。

一顆恒星如果生命快要走到盡頭，受引力影響，這顆恒星就會向著星系的中心慢慢漂移，在漂移的過程中，它會遇到其他恒星，兩顆恒星會互相吸引，形成一種神奇的運(yùn)行軌道，這里作者用了一種很浪漫的說法，會形成「一對因為引力作用緊緊擁抱并鎖定在一起的恒星」。

如果這個時候，再遇到第三顆星星，比如這兩顆恒星又遇到一顆向星系中心漂移的恒星，或者這兩顆恒星有行星，三顆星的運(yùn)動，情況就完全不同了。由于三個天體之間相互作用力的模式總是以一種復(fù)雜的方式變化著，這三顆星星的運(yùn)行軌道甚至都無法計算。

著名的科幻小說《三體》，那個三體星系的設(shè)定就是這樣。

科學(xué)家雖然沒法預(yù)測三顆星星的時時刻刻的運(yùn)行軌道，但是可以預(yù)測運(yùn)行的最終結(jié)果，其中一種結(jié)果，就是三顆星星相吸引聚集的巨大能量，會輸送到其中一顆星星上，這個星星會被完全踢出去，就像是彈弓上被射出的彈丸一樣。

這股能量極其巨大，這個星星甚至有可能會被拋出星系，最終很有可能會被某個黑洞捕獲。而那些沒被拋出星系的恒星，會繼續(xù)向著星系中心滑落，最終合并成巨大的黑洞。

所以，在「引力彈弓效應(yīng)」的影響下，恒星最后的終點(diǎn)，大概率會是成為某個黑洞的一部分。

如果宇宙中的黑洞越來越多、越來越大，那么「引力彈弓效應(yīng)」又會進(jìn)一步加強(qiáng)，又會有更多的恒星，向著這些黑洞滑落，這就會引發(fā)雪崩一般的連鎖反應(yīng)，最后的結(jié)果，就是宇宙從膨脹轉(zhuǎn)向收縮，就像是把大爆炸倒著進(jìn)行一遍，宇宙回歸到那個密度無限大的點(diǎn)。

有的科學(xué)家甚至更向前思考了一步，提出了更瘋狂的想法。那就是，我們這個宇宙，是不是就會陷入到這種先膨脹后收縮，再膨脹再收縮的無限循環(huán)中？我們這個宇宙的起點(diǎn)，也就是大爆炸開始時的那個點(diǎn)，是不是從上一個宇宙收縮而來？

這種把膨脹和收縮結(jié)合在一起的模型，被稱為「宇宙循環(huán)模型」。我們的宇宙就像有幾生幾世的輪回一樣，每一個新的循環(huán)，就像是從死亡中重生。新宇宙從上一個宇宙的死亡中誕生，演變出新的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)，探索新的豐富多彩的世界，然后再一次收縮，直到走向毀滅。

這種猜想很難被驗證。假設(shè)宇宙循環(huán)模型是真的，上一個宇宙留下來的一切，都會在收縮成一個點(diǎn)的時候被徹底毀滅，今天我們的宇宙中，沒法找到任何證據(jù)。

不過如果我們假設(shè)宇宙循環(huán)模型是真的，并沿著這個思路繼續(xù)思考，就會得出更神奇的結(jié)論，那就是宇宙的下一次輪回，經(jīng)歷的時間會比上一次更長。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙大爆炸會遺留大量的熱輻射，宇宙會帶著這些熱輻射一直向外膨脹，這個輻射就被稱作宇宙的「背景輻射」。隨著時間的推移，恒星的光輻射也在累積，在經(jīng)過幾十億年后，宇宙空間中積累的光輻射幾乎與背景輻射一樣多。這意味著，宇宙重新收縮的時侯，散布在整個宇宙中的輻射能量比大爆炸剛剛發(fā)生后的輻射能量要多得多。

你可能會問，宇宙不是一個封閉的系統(tǒng)嗎？物質(zhì)守恒、能量守恒，那這些多出來的輻射是從哪來的呢？根據(jù)愛因斯坦的方程式 E=mc^2 ，超額的熱能是由宇宙包含的物質(zhì)提供的。能量從物質(zhì)完全轉(zhuǎn)化為輻射。

這一切的結(jié)果就是，宇宙從收縮走向滅亡，看起來像是把宇宙膨脹的過程倒過來放了一遍，但是其實大不相同。因為這時的宇宙和之前的宇宙也許大小一樣，但是物質(zhì)更少，輻射更高。輻射的引力與物質(zhì)的引力大不相同，所以造成的影響也不一樣，這些超額的輻射會讓宇宙坍縮的速度變得更快。如果以某種方式使反彈出現(xiàn)，那么下一個宇宙也會以更快的速度膨脹。

換句話說，每一次大爆炸的能量都應(yīng)當(dāng)比上一次更大。隨著每個新的循環(huán)的開始，宇宙將會膨脹到更大的尺度，因此循環(huán)將逐漸變大，時間也會越變越長。

也就是說，如果宇宙真的經(jīng)歷幾生幾世的話，那下一生經(jīng)歷的時間，會比上一生更長。

第三部分

剛才咱們聊了這么多關(guān)于宇宙末日的猜想，有膨脹，有收縮，還有先膨脹后收縮的。那就引出了新的問題，科學(xué)家們要怎么確定，哪種猜想最靠譜呢？宇宙最終會走向哪種滅亡呢？

咱們來想象一下非常遙遠(yuǎn)的未來，比如一億億億年以后，宇宙是個什么樣子。

那個時候，宇宙里大部分恒星都已經(jīng)燃燒殆盡，宇宙已經(jīng)是一片黑暗，但是并不是空無一物，還有無數(shù)的黑洞、中子星和黑矮星，不過宇宙中天體的密度非常低，因為那會兒的宇宙會膨脹到現(xiàn)在的一萬億億倍。

在宇宙膨脹的過程中，引力會進(jìn)行一場拉鋸戰(zhàn)。不斷膨脹的宇宙試圖將每一個天體拉遠(yuǎn)，但是天體間的引力卻試圖將天體聚合。

這就像是一場拔河比賽，那到底哪一邊會取勝呢？會取決于宇宙中物質(zhì)的密度。物質(zhì)的密度越低，膨脹的力量就越強(qiáng)，物質(zhì)的密度越高，聚合的力量就越強(qiáng)。

我們都知道，密度等于質(zhì)量除以體積，今天的科學(xué)家們已經(jīng)可以推測出宇宙到底有多大，進(jìn)而估算宇宙的體積。那接下來，決定宇宙命運(yùn)的關(guān)鍵，就是宇宙的質(zhì)量了。

如何稱出宇宙的質(zhì)量？這似乎是一項艱巨的任務(wù)，我們沒法一顆星星一顆星星地去稱重，也找不到一個大天平，把宇宙都放在那里稱一稱。不過，科學(xué)家還是找到了一種思路，他們相信，可以用引力理論來推導(dǎo)結(jié)果，這個結(jié)果未必那么精確，但是可以幫助科學(xué)家計算出質(zhì)量的下限值。

具體怎么做呢？我們可以通過測量太陽對行星的引力，稱出太陽的質(zhì)量?？茖W(xué)家們已經(jīng)知道，銀河系大約有 1000 億顆恒星，假設(shè)每顆恒星的質(zhì)量等同于一個太陽的質(zhì)量，由此，我們就得到了銀河系質(zhì)量的下限值。

進(jìn)一步，我們可以推算出宇宙中有多少個星系，目前比較合理的估計是 100 億個。因此宇宙總質(zhì)量為 10 的 21 次方個太陽那么重。

這就是宇宙質(zhì)量的下限值，換句話說，宇宙應(yīng)該不會比這個重量更輕。

如果我們假設(shè)宇宙的質(zhì)量就這么多，會得出什么結(jié)論呢？

科學(xué)家們經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，這個密度并不高，如果宇宙只有這么多質(zhì)量的話，那么我們身處的宇宙會一直膨脹下去，最終走向熱寂。

當(dāng)然，這只是根據(jù)宇宙質(zhì)量的下限值得出的結(jié)論，而這個下限值來自于我們可以看到的恒星。但是很多科學(xué)家相信，我們看到的宇宙物質(zhì)，比實際存在的宇宙物質(zhì)要少很多。比如，宇宙中有很多并不發(fā)光的天體，像是暗星、行星，還有黑洞，到底它們的質(zhì)量是多少？宇宙中是否存在暗物質(zhì)和暗質(zhì)量？一些數(shù)量龐大但極其微小的粒子，比如中微子，它們到底有沒有質(zhì)量？這些問題，今天的科學(xué)家還沒有辦法回答。也許只有等這些問題都有答案之后，我們才能準(zhǔn)確地計算宇宙的質(zhì)量。

還有一批科學(xué)家另辟蹊徑，他們描述了一個不一樣的宇宙模型。他們的理由是，你們這些科學(xué)家思考宇宙的未來時，都把宇宙想象成鐵板一塊，一個巨大的整體，膨脹就處處都膨脹，收縮就處處都收縮，但是你們要注意，宇宙空間里邊，那個密度分布是極其不平均的，所以有沒有可能，其實我們這個宇宙，是能被分成一個個小塊的。每一塊因為密度不同，所以其實它的變化也不一樣。就像是一個個氣泡一樣，有的氣泡瘋狂地膨脹，有的氣泡不變大也不變小，有的氣泡已經(jīng)開始收縮了。

這個理論被稱作「宇宙氣泡模型」，是由俄羅斯物理學(xué)家安德烈·林德提出來的，他甚至對宇宙的誕生也有不同的猜想，宇宙并不是從一個點(diǎn)誕生的，可能就是有很多個氣泡，那些膨脹最劇烈的氣泡，短時間內(nèi)占據(jù)了宇宙最大的空間。我們當(dāng)前所在的地方，不過是那些高度膨脹的宇宙氣泡其中之一，我們這個宇宙氣泡的內(nèi)部，物質(zhì)和能量幾乎均勻地分布，但在我們的氣泡之外，還存在著其他氣泡。在那個更大的宇宙尺度上，宇宙看起來仍然非?；靵y。

如果安德烈·林德的預(yù)言是真的，那宇宙的結(jié)局也是完全不一樣的圖景了。

因為在林德的模型中，膨脹永遠(yuǎn)不會停止。就算一些宇宙氣泡在收縮，但是總有新的氣泡正在形成，新的宇宙氣泡會開始膨脹，占據(jù)那些正在收縮的宇宙氣泡的空間。

這是另一種形式的永恒宇宙，甚至比我們剛才聊到的宇宙循環(huán)模型還要更加瘋狂。如果說宇宙循環(huán)模型，就像是一個人的生老病死，幾生幾世，而這個宇宙氣泡模型，已經(jīng)是無數(shù)人按照叢林法則相互競爭了。宇宙就像是一個王座，氣泡們就像是一個個競爭者，總有身強(qiáng)力壯的年輕人，會把老國王拉下王位，取而代之。在這種宇宙中，生命、希望和宇宙都是永恒的。每一個氣泡可能有生老病死，但是整個宇宙和這個搶椅子的游戲卻生生不息。

當(dāng)然，借助今天的科學(xué)技術(shù)，不論是熱寂還是收縮，「宇宙循環(huán)模型」還是「宇宙氣泡模型」，目前都只是科學(xué)家的猜想。在當(dāng)下這個時間節(jié)點(diǎn)，想要準(zhǔn)確預(yù)言宇宙的未來，還是不可能的。我們只能期待未來的科學(xué)家們可以更準(zhǔn)確地了解宇宙，那時我們對宇宙的未來，就會有更清楚的認(rèn)識。

結(jié)語

最后，還想和你分享一個我從書中讀到的腦洞。

前邊咱們講了許多宇宙終結(jié)的方式，那作者就問了，我們?nèi)祟愑袥]有什么辦法，可以做點(diǎn)事情，減緩宇宙的滅亡呢？

乍一看，我們肯定是啥事兒都做不了。人類再有力量，也沒法和物理定律抗衡，在宇宙這個尺度上，我們和螞蟻一點(diǎn)兒區(qū)別都沒有。

但是，書中提供了另一種思路。我們也許沒法減緩宇宙的滅亡，但是我們可以找到一種方式改造自身，提升人類處理信息的速度和新陳代謝的速度。

因為對于人類來說，時間是個相對的概念，只要我們的心智和身體足夠快，那么幾分鐘也能過出幾年的效果來。

從原則上說，如果我們掌握了方法，可以提升人類處理信息的速度和新陳代謝的速度，那么剩余的時間，就能在人類的大腦中無限延長。在這種技術(shù)的加持下，哪怕宇宙距離滅亡只剩下三分鐘，我們也可以在這三分鐘里，體驗千年萬年的時間，人類幾乎可以獲得永生。

我覺得，如果這種技術(shù)可以成真，那對于人類來說，宇宙的最后三分鐘，也就變得不那么可怕，不那么蒼涼了。

撰稿：陳章魚腦圖：摩西腦圖工作室

資料來源：得到APP