宇宙的最后三分钟

●著名物理学家保罗·戴维斯经典之作，人人读得懂的宇宙学科普著作，是每一个关心宇宙和人类未来的人不可错过的一本大师级作品。

● “科学大师书系”经典再现。中国科学院院士、复旦大学教授金力，科技创新研究者、清华大学教授陈劲，世界著名哲学家、《直觉泵和其他思考工具》作者丹尼尔·丹尼特重磅推荐！

保罗·戴维斯

●澳大利亚阿德莱德大学物理学教授，世界著名物理学家，同时也是一位能用简洁生动的语言解释深奥科学概念的大师。

●他的研究内容包括黑洞、量子场论、宇宙的起源、意识的本质和生命的起源等。在《宇宙的最后三分钟》里，戴维斯将带领我们探索“宇宙如何走向终结”的问题：宇宙会走向结束吗？那时的人类又将如何，能够幸免于难、永远存在吗？

“科学大师书系”重点在于大师，这10本书的作者既是世界一流的思想者，又是文采斐然的科普作家。去读他们的书吧，你将直接站在大师的肩膀上！

——金力

中国科学院院士，复旦大学教授

历代科学家对宇宙、生命的起源与运行进行了永不竭尽的探索，他们完成的研究成果以及在科研过程中表现出的追求真理的精神，一直是人类知识发展和道德进化的宝贵财富。在未来的发展进程中，基于科学的创新将日益重要，中国需要更多的科学家。熟读科学大师系列，将进一步激发广大有志者献身科学的动力以及提高科学研究的成功率。

——陈劲

科技创新研究者，清华大学教授

我将“科学大师书系”视为向这个世界撒下的一张大网，它捕获的将是我们这颗行星的下一代思想家和科学家。

——丹尼尔·丹尼特

世界著名哲学家，《直觉泵和其他思考工具》作者

01 宇宙会消亡吗

02 逐步消亡的宇宙

03 最初的三分钟

04 恒星的末日

05 黑夜降临

06 称称宇宙的质量

07 永远很远

08 慢车道上的生命

09 快车道上的生命

10 暴卒和突生

11 世界没有尽头吗

02逐步消亡的宇宙

1856 年，德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）做出了科学史上最令人感到沮丧的预言—宇宙正在消亡。这个天启般的预言依据的是热力学第二定律。该定律于19 世纪早期被提出，最初用来说明热机效率，但很快人们就发现它具有更普遍的意义，即整个宇宙都适用。

简而言之，热力学第二定律指明，热量是由热向冷流动的。这是物理系统的一个常见而又明显的特性，从做饭或咖啡冷却这些日常小事中，我们可以清晰地看到这个定律的作用方式：热量从温度较高的地方流向温度较低的地方。这并不神秘。热以分子运动的形式在物质中表现出来。在气体中，分子会四处乱窜并相互碰撞，包括空气中的分子也是如

此。即使在固体中，原子也在剧烈地运动着。物体的温度越高，分子的运动就越剧烈。如果两个温度不同的物体相接触，较热物体中运动比较剧烈的分子很快就会扩散到较冷物体的分子中。

因为热量流动是单向的，所以该过程在时间上是不对称的。如果放映一部记录热量由冷的地方到热的地方自发性地流动的影片，那它看上去就像河水倒流至高山、雨滴升至云层，非常荒唐可笑。因此，我们可以确定热量流动的基本方向，通常用从过去指向将来的箭头表示（见图2-1）。这个“时间箭头”表明了热力学过程的不可逆性，物理学家为此着迷了150 年。

冯·亥姆霍兹、鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）和威廉·汤姆森（William Thomson，又称开尔文勋爵）的研究向人们普及了热力学中一个描述不可逆转的变化的重要物理量——熵。在简单的热冷物体相接触的情境中，熵等于熵增过程中流入物质的热量除以物质的温度。假定少量热量从热物体流入冷物体，热物体将失去一些熵，那么冷物体将获得一些熵。由于这个过程中转移的热量相同，但温度不同，因此，冷物体获得的熵将大于热物体损失的熵，整个系统的总熵值（热物体的熵加上冷物体的熵）也就增加了。由此可得出热力学第二定律的一个原则：一个系统的熵永远不可能减少，因为减少就意味着一些热量自发地从低温物体流向了高温物体，而这种现象显然是不可能发生的。

熵永远不会下降。这个定律适用于所有的封闭系统。以冰箱为例，冰箱可以将热量从低温物体（冰箱内部）传递到高温物体（冰箱外部），那么整个系统的总熵值就必须考虑冰箱运行所消耗的能量，因为热量传递过程本身会使熵增加。正因为如此，在通常情况下，冰箱运行产生的熵会超过冰箱从低温物体到高温物体因热量的传递而导致的熵减少。在自然系统中，比如那些涉及生物有机体或者晶体形成的系统，其中一部分熵通常会下降，但这个下降总是由系统另一部分的熵的增加换来的。总而言之，熵永远不会下降。

如果将整个宇宙看作一个封闭系统，在没有“外部”的基础上，我们可以根据热力学第二定律做出一个重要的预测：宇宙的总熵永远不会减少。事实上，熵会一直冷酷无情地增加。我们眼前就有一个很好的例子—太阳，它不断地向寒冷的太空深处散发热量，而热量进入宇宙，永不返回，这是一个惊人的不可逆的过程。

如果真如上文所述，便会不可避免地产生一个问题： 宇宙的熵会永远增加吗？想象一下，一个热物体和一个冷物体在热力学封闭（绝热）的容器中相互接触，热能从热物体传递到冷物体，熵会增加，但最终冷物体会变暖，热物体会冷却，进而两个物体达到相同的温度。当达到这种状态时，就不会再发生热能传递现象。容器内的系统将达到均匀的温度，即包含最多熵的稳定状态，这种现象被称为热动平衡（thermodynamic equilibrium）。只要系统保持隔离，就不会有进一步的变化；但如果物体受到某种形式的干扰，比如，从容器外部引入更多的热量，那么就会产生进一步的热活动，熵将增加到更大的峰值。

这些热力学的基本原理向我们揭示了天文学和宇宙学方面的什么规律呢？在太阳和大多数其他恒星中，热量的外流虽然可以持续数十亿年，但总体而言并不是取之不尽的。正常恒星的热量是由其内部的核聚变过程产生的。正如我们将看到的，太阳终将会耗尽，除非有大事件能改变这一局面，否则太阳将持续冷却到与周围空间相同的温度。

虽然冯·亥姆霍兹对核聚变反应一无所知（在当时，太阳巨大能量的来源还是一个谜），但他认识到了一个普适规律：宇宙中的所有物理活动都将趋向于热动平衡这一最终状态，或最大熵状态，随后宇宙中不会发生任何有意义的物理活动。这种走向平衡的单向变化过程被早期的热动力学家称为宇宙的“热寂”（heat death）。个别系统可能会被外部的干扰事件重新激活，但宇宙本身按其定义没有“外部”的概念，所以没有任何东西可以阻止宇宙走向无所不包的热寂。这似乎是不可避免的事情。

万物有生就有灭

20 世纪60 年代初，当时还是学生的我就对宇宙的起源产生了浓厚的兴趣。宇宙大爆炸理论始于20 世纪20年代，但直到20 世纪50 年代才引起人们的关注。虽然该理论已经众所周知，但还远未令人信服。与之相对的宇宙恒稳态理论完全抛弃了宇宙起源说，在某些领域甚为流行。1965 年， 阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）发现了宇宙微波背景辐射，形势逆转，大爆炸理论开始被更多人接受。毫无疑问，宇宙微波背景辐射是宇宙从炽热而又猛烈的大爆炸中突然诞生的确凿证据。

至此，宇宙学家开始狂热地研究这一发现的意义。大爆炸发生100 万年后的宇宙有多热？大爆炸发生1 年后、1 秒钟后又有多热？最初地狱般的炽热状态中出现过何种物理过程？是否留有宇宙诞生之初的遗物，这些遗物是否还保留着当时的极端环境的印记？

1968 年，我参加了一个有关宇宙学的讲座，至今记忆犹新。在演讲即将结束时，那位教授根据宇宙微波背景辐射的发现评论了大爆炸理论。“基于宇宙大爆炸后最初三分钟发生的核反应过程，有些理论家已经列出了组成宇宙的化学成分。”他笑着对众人说道。所有的观众听后哄堂大笑。似乎，所有对宇宙诞生后最初时刻状态的描述都过于雄心勃勃和荒谬可笑了，即使7 世纪那个宣称宇宙诞生于公元前4004 年10 月23 日的大主教詹姆斯·乌瑟（James Ussher），也没有胆量列出宇宙最初三分钟所发生的事件的准确顺序。

在发现宇宙微波背景辐射仅仅10 年之后，宇宙诞生后的最初三分钟的相关理论已在大学里进行讲授，相关教科书也应运而生，这就是科学进步的速度。1977 年，美国物理学家兼宇宙学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）出版了一本畅销书——《最初三分钟》（The First Three Minutes ）,该书被公认为科普读物的里程碑。作为一位世界知名的理论物理学家，温伯格向公众详细地描述了大爆炸后数秒内所发生的事件的全过程，这着实令人折服。

当公众还沉迷于这些令人兴奋的科学进展时，科学家已经继续向前迈进了。此时，科学家研究的焦点已经从早期宇宙（大爆炸发生后的几分钟）转向了极早期宇宙（大爆炸发生后的一秒钟）。大约10 年后，英国物理学家斯蒂芬·霍金在他的《时间简史》一书中，无比自信地提出了大爆炸发生后最初一万亿亿亿亿分之一秒内所发生的事件的最新想法。现在看来，1968 年那次演讲结束时观众发出的笑声显得多么无知。

随着大爆炸理论被大众和科学家完全接受，越来越多的人开始思考宇宙的未来。我们已经知道宇宙是如何开始的，那它将如何结束呢？宇宙最终的命运是什么？宇宙真的会以爆炸或逐渐衰败的形式终其一生，或者永久消失吗？那时人类的命运又将如何？人类的后代—无论是机器人还是人类自身，能逃过一劫并就此实现永生吗？

尽管世界末日并不会马上来临，但对这些事情不好奇是不可能的。地球近年来备受人为危机的困扰，当我们不得不思考所在宇宙的尺度时，我们为能在地球上生存下去所做的抗争便显得备受瞩目。《宇宙的最后三分钟》是关于宇宙未来的故事，根据一些著名物理学家和宇宙学家的最新想法，我们在这本书中竭尽所能地对宇宙的未来进行了预测。这些预测并不是宗教式的启示。事实上，鉴于已有的科学研究成果和丰富的经验，宇宙的发展潜力将不可预测。但与此同时，我们也不能忽略另一个事实，万物有生就有灭。

《宇宙的最后三分钟》这本书是为普通读者撰写的，阅读时无须事先掌握科学或者数学知识。不过，有时我需要讨论非常大和非常小的数字，会用到紧凑的数学符号，这样读起来简单易懂，这种符号就是“10 的指数幂”。举例来说，1 000 亿展开来写就是100 000 000 000，相当麻烦。这个数字的1 后面有11 个零，所以我们可以用1011 来表示它，用文字来描述就是“10 的11 次方”。同样，100 万为106，10 000 亿为1012，以此类推。然而，当幂指数增加时，这种符号会掩盖这些数字的实际增大程度。比如，1012 是1010的100 倍，前者是一个比后者大得多的数字，但它们看起来相差无几。“10 的负指数幂”也可以用来表示非常小的数字，比如10 亿分之一，即1/1000 000 000，可写成10-9，因为这个分数的分母为1 后面有9 个零。

此外，我想提醒读者，这本书具有高度的推测性。虽然大多数观点都是基于目前最新的科学进展，但未来学不能跟其他科学研究相提并论。推测宇宙最终命运的诱惑是不可抗拒的，正是本着这种开放的调查精神，我写了这本书。宇宙起源于大爆炸，然后膨胀并冷却到某种物理状态，或灾难性地坍缩的基本设想，在科学上是相当成熟的。我们尚不清楚的是，在巨大的时间尺度上可能发生的主要物理过程。天文学家对普通恒星的总体命运已经有了清晰的认识，对中子星和黑洞的基本性质也有了越来越深刻的理解，但如果宇宙能持续存在数万亿年或更长时间，可能会存在一些微妙的物理作用，我们目前只能猜测其存在的可能性。这些物理作用最终会变得非常重要。

既然我们面对的问题源自对自然规律的了解不够深入，那么推演宇宙最终命运的最好方法就是，运用我们现有的最佳理论不断尝试和推断，最终得出合乎逻辑的推论。然而问题是，许多与宇宙命运有重要关系的理论仍有待验证。我所讨论的一些过程，比如引力波A、质子衰变和黑洞辐射，虽然理论家狂热地相信它们的存在，但实际上还没有被观察到。除此之外，肯定还存在一些其他的物理过程，我们目前对此一无所知，但这些过程极有可能会大大改变我在本书中提出的推论。

当我们考虑宇宙中智慧生命可能产生的影响时，这些不确定性就会变得更大，只有进入科幻小说的领域才能更好地展开联想。然而，我们不能忽视这样一个事实：经过数十亿年的时间，生物可能会在更大尺度上显著地改变物理系统的运作方式。因此，我决定将宇宙中的生命纳入本书的主题中，因为对许多读者来说，对宇宙命运的着迷与他们对人类命运及其后代的关注息息相关。不过，我们应该始终记住，科学家远未真正了解人类意识的本质，也不了解允许意识活动在宇宙遥远的未来继续存在下去所必需的物质条件。

感谢约翰·巴罗（John Barrow）、弗兰克·蒂普勒（Frank Tipler）、杰森· 特沃姆利（Jason Twamley）、罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）和邓肯·斯蒂尔（Duncan Steel）对本书主要内容所做的有益探讨；感谢本系列丛书编辑杰里·莱昂斯（Jerry Lyons）对手稿的批判性审阅；感谢萨拉·利平科特（Sara Lippincott）对最终手稿所做的出色整理。