作者:FrankWilczek
翻译:胡风、梁丁当
弗兰克·维尔切克是麻省理工学院物理学教授、量子色动力学的奠基人之一。因发现了量子色动力学的渐近自由现象,他在2004年获得了诺贝尔物理学奖。
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物理定律预言宇宙最终会停止运转与变化,这样的命运能被推迟吗?
在今年夏天某个酷热的上午,当我正在游泳时,我的思绪突然飘到了另一个关于“气候变化”的问题上:宇宙的“热死亡”,也就是我们常说的“热寂”。这很可能是宇宙的终极命运。讽刺的是,比起我们这个越来越热的星球,宇宙死亡的话题反而没有那么令人焦虑。
在19世纪,随着科学家对“热”的科学理解逐渐加深,产生了“宇宙热寂”的假说。它的核心思想很简单 :物理系统总是会趋于平衡。比如,热量总是从较热的物体自发流入较冷的相邻物体 ;随着热量的交换,前者被冷却,后者被加热,当二者达到相同的温度后,热量交换就会终止。
我们可以通过给对应的系统注入能量,从而延迟到达最终的平衡与静止的时间,但这也只是暂时的。比如,我们可以给发动机加油,给动物喂食,给电池充电。但是发动机会磨损,动物会死亡,电池也会老化而无法充电。
这些日常现象可以在热力学中被进一步概括和强化。在热力学中,所谓的拱顶石就是热力学第二定律。1865年,鲁道夫 · 克劳修斯( Rudolf Clausius )首次给出了热力学第二定律的数学表达式。它指出:系统的无序性由熵来度量,随着时间的流逝,熵会不断增加,这也意味着系统的有序结构在逐渐消失。最终,系统会演化到一个完全无序且毫无特征的平衡态——熵最大的状态。
根据热力学第二定律的无情逻辑,宇宙最终将演化到一个毫无变化与生机的死寂状态,即“宇宙热寂”。现代宇宙学进一步充实了这一说法。
引力作用导致物质倾向于聚集。但在早期宇宙中,物质分布极为均匀,所以引力处于远离平衡的状态。随着时间的推移,引力试图达到平衡,将稀薄的星云凝聚成恒星。恒星内部的高密度和高压会点燃核反应。核燃烧释放的热将为宇宙的运动提供能量,但这只是缓刑。几百亿年后,所有的恒星的燃料都将燃烧殆尽。
要想对抗宇宙热寂,我们的子孙后辈或者宇宙中的其他智慧生命,或许可以采用以下的一些方法。下面这些方法是我在游泳的时候逐步构想出来的 :
第一,在恒星耗尽燃料之后,或许可以进一步燃烧物质。因为恒星发生核聚变时,质子和中子被重新组合,但总数保持不变。继续燃烧这些粒子可以获得数百倍的能量。还有一种无可名状的燃料是“暗物质”。目前还没有人知道它是什么,但宇宙中有很多这样的暗燃料。它们或许可以给我们的后辈或者其他智慧生命留下一线希望。