宇宙的最后三分钟

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*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，*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*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*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*终状态，或*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。