資料來源：科技日報

2001年9月7日

19世紀的熱力學預言了宇宙會因為“熱寂”而死亡 20世紀的宇宙學再一次對“世界末日”作出預言 宇宙會滅亡嗎 地球會消失嗎 生命會終止嗎 人類還會繼續存在嗎 這是19世紀英國著名詩人斯溫伯恩描寫宇宙“熱寂”狀態的詩句。 不論是星星還是太陽， 都將不再升起， 到處是黑暗一片， 沒有溪流的潺潺， 沒有聲響，也沒有景色， 沒有冬天的枯葉，也沒有春天的嫩枝 沒有白天， 沒有白天勞動的歡樂， 甚至沒有夜晚， 因為沒有夜晚的夢幻。 科學預言：宇宙將進入死寂的永恆狀態 “熱寂”說是19世紀中期英國物理學家開爾文和德國物理學家克勞修 斯根據熱力學第二定律所作的宇宙學推論。該理論認為，整個宇宙是 朝著單一的方向變化的，宇宙中一切機械的、物理的、化學的、電磁 的、生命的等等各種能量，最終將全部轉化為熱能。而熱又總是自發 地從高溫部分流向低溫部分，直至到達溫度處處相等的熱平衡狀態為 止。按照克勞修斯的說法，“宇宙的熵趨向于極大。宇宙越是接近于 這個熵是極大的極限狀態，進一步變化的能力就越小﹔如果最后完全 達到了這個狀態，那就任何進一步的變化都不會發生了，這時宇宙就 會進入一個死寂的永恆狀態”。 “熱寂”說是熱力學第二定律的宇宙學推論，這一推論是否正確，引 起了科學界和哲學界一百多年持續不斷的爭論。由于涉及到宇宙未來 和人類命運等重大問題，因而它所波及和影響的范圍已經遠遠超出了 科學界和哲學界，成了近代史上一樁最令人懊惱的文化疑案。 一百多年來，盡管人們都在孜孜不倦地尋求著這一疑難的最后答案， 然而，最終都令無數英雄競折腰。難怪大哲學家羅素發出這樣悲觀的 感嘆，“一切時代的結晶，一切信仰，一切靈感，一切人類天才的光 華，都注定要隨太陽系的崩潰而毀滅。人類全部成就的神殿將不可避 免地會被埋葬在崩潰宇宙的廢墟之中───所有這一切，几乎如此之 肯定，任何否定它們的哲學都毫無成功的希望。唯有相信這些事實真 相，唯有在絕望面前不屈不撓，才能夠安全地筑起靈魂的未來寄托” 。即使是像控制論之父維納這樣的科學巨匠，最終也“控制”不住自 己沮喪的感情，几乎是在絕望中悲嘆，“我們遲早會死去，很有可能 ，當世界走向統一的龐大的熱平衡狀態，那里不再發生任何真正新的 東西時，我們周圍的宇宙將由于熱寂而死去，什么也沒有留下﹒﹒” 絕處逢生：膨脹的宇宙不會“熱寂” 長期以來，對“熱寂”說疑難的回答，無論從科學上看還是從哲學上 看似乎都未能切中要害，缺乏說服力，因而一再爆發爭論。然而，“ 山重水復疑無路，柳暗花明又一村”。20世紀六七十年代以后，自從 “大爆炸”宇宙模型逐漸得到天體物理學界公認以來，“熱寂”說這 朵漂浮在物理學上空的“烏云”逐漸云開霧散，人類曾一度陰霾籠罩 的心頭終于迎來了一片朗朗晴空。 特別令人矚目的是，1994年10月，《科學美國人》雜志以“宇宙中的 生命”為主題隆重推出了一期專刊，其中登載了四位著名科學家的綜 述，全面介紹了當代天體物理學界關于宇宙起源與演化問題的研究成 果──大爆炸宇宙模型。該理論認為，宇宙大約是在100─200億年以 前，從高溫高密的物質與能量的“大爆炸”而形成。隨著宇宙的不斷 膨脹，其中的溫度不斷降低，物質密度也不斷減小，逐漸衍生成眾多 的星系、星體、行星等，直至出現生命。宇宙大爆炸理論是20世紀科 學研究的重大成就，是基于几十年的創新實驗與理論研究的結果。因 而獲得了科學界的公認，并成為現代宇宙學的標准模型。 大爆炸宇宙理論得到了三個強有力的直接証據的支持，即哈勃紅移、 氦元素丰度和3K微波背景輻射。 1929年，美國天文學家哈勃在研究了前人測量的星系距離資料后發現 ，遠星系光譜線的顏色要比近星系的稍紅一些。哈勃仔細測量了這種 紅化，發現它呈系統性變化。而且，星系愈遠，光譜線紅移愈大。在 進一步測定了許多星系光譜中特征譜線的位置后，哈勃証實了這個效 應，并指出紅移現象的產生是由于星系在退行而使光波變長的結果。 由此，他總結出了著名的哈勃定律：星系退行的速度與距離成正比。 從哈勃定律人們會很自然地得出宇宙在膨脹的推論。這個重大發現奠 定了現代宇宙學───大爆炸理論的基礎。 支持大爆炸宇宙論的第二個証據是宇宙中氦元素丰度的預言和測定。 大爆炸發生一秒鐘以后，宇宙是由極高溫的基本粒子組成的“羹湯” ，這時整個宇宙處于均勻的熱平衡態。隨著宇宙的膨脹和降溫，其中 的一些粒子逐次與其余部分粒子脫耦。此時產生的核反應使中子和質 子聚合在一起，形成氦核，余下的核子（沒有聚合的質子）自然就形 成了氫核。精確的理論計算表明，當時應有23．6％的物質質量聚合 成了氦核。英國皇家格林尼治天文台對眾多星系中原始星云的發射光 譜進行觀測的結果表明，宇宙中氦的實際丰度為23．5％。這一結果 與大爆炸的理論預言極為相符。 支持大爆炸理論的第三個証據是3K微波背景輻射的發現。大爆炸理 論預言，現在的宇宙中應該存在著一種來自宇宙早期的均勻的、各向 同性的微波背景輻射，它是宇宙早期的遺跡，頻譜應該符合普朗克黑 體輻射公式，溫度約為3K。這一預言在1965年被射電天文學家彭齊亞 斯和威爾遜在宇宙觀測中証實，此后亦為眾多科學家進一步証實。這 一結果表明，宇宙早期曾一度處于平衡態，處處都有相同的溫度，而 且物質分布也是相當均勻的。大爆炸之后，宇宙才逐漸偏離熱平衡態 。 實際上，解決宇宙“熱寂”疑難的關鍵，應從宇宙中是否存在熱平衡 態這一根本性問題著手。現在，大爆炸理論直接証明了宇宙在膨脹， 而宇宙在膨脹則是熱力學和宇宙學相容的關鍵，那么在一個膨脹的宇 宙中是否存在著熱平衡態呢？要回答這一問題，還得從宇宙膨脹的原 因說起。 宇宙膨脹的原因是由于引力的作用。在不考慮引力的經典熱力學中， 加熱則體系升溫，冷卻則體系降溫，熱容量是正值。而在一個自引力 體系中情況剛好相反，加熱則體系變冷，放熱則體系升溫，熱容量是 負值。在一個體系中，如果同時存在著正熱容物體和負熱容物體，那 么這個體系就具有極大的不穩定性。稍有擾動，平衡就會徹底遭到破 壞而產生溫差。只要有自引力體系存在，原則上就不存在穩定的熱平 衡，而宇宙間的天體或天體系統大多數正是這種自引力系統。盡管自 引力系統中熵是增加的，但由于沒有熱平衡，熵的增加是無止境的， 永遠都沒有極大值，因而宇宙就永遠不可能達到“熱寂”狀態。這種 現象在靜態宇宙模型中是不可能發生的，也是開爾文和克勞修斯等人 沒有料想到的。 于是，人類終于從百年夢魘中醒來，爆發出熱情的歡呼，“宇宙不但 不會死，反而會從早期的熱寂狀態（熱平衡態）下生機勃勃地復蘇” ，“熱寂說的一頁，已被翻過去了”！ 最后的大屠殺：宇宙有生必有死 然而，人類的歡呼似乎來得早了一點。盡管熱力學意義上的宇宙〞熱 寂〞狀態永遠不會到來，但宇宙的命運卻不會因此而變得更加令人樂 觀。宇宙的結局完全取決于它的初始條件，宇宙的創生與終結始終緊 密相連。大爆炸理論發現了宇宙起源的真相，同時也預言了它遙遠的 未來。 在大爆炸理論看來，宇宙的未來完全取決于宇宙密度是小于還是大于 某個臨界值。如果宇宙密度小于臨界值，表明宇宙是膨脹的，并且一 直膨脹下去。假使如此，未來所有恆星上的熱核反應都將逐漸停止， 留下的將是各種各樣的宇宙“熔渣”───黑矮星、中子星和黑洞， 而宇宙的背景輻射溫度將不斷下降，以至于無限地趨近于絕對零度， 最終達到另一種意義上的“冷寂”。如果宇宙密度大于臨界值，表示 宇宙起初膨脹，到達一定時刻后，就將轉化為收縮。當宇宙不斷收縮 至愈來愈接近它的最后階段時，環境條件同大爆炸后不久起支配作用 的那些條件越來越相似。在宇宙暴縮的最后時刻，引力成為占絕對優 勢的作用，所有的物質都將因擠壓而不復存在，包括時空本身在內的 一切有形的東西統統將被消滅，只剩下一個時空奇點。無論宇宙最后 出現哪一種狀態，其結果對人類來說都將是滅頂之災。 這就是大爆炸理論為人類預言的宇宙未來和世界末日。由于這一理論 也不合人們的期望，因而當它提出之日起同樣也遭到了來自各方面的 反對，并認為它是一個“倒了頭”的宇宙“熱寂”說。然而，自然規 律畢竟不以人的意志為轉移，人類必須正確對待，最好的心態是，“ 我們決不能忽視物之有生亦必有死的事實，死亡或許正是為創生不得 不付出的代價”。 當然，還存在著一些其他并非毫無科學根據的宇宙模型，也許會帶給 人類新的光明和希望。人類不應該氣餒。“我們的后代也許還有數十 億年甚至數萬億年的時間來對付這場最后的大屠殺。在這段時間里， 生命能夠擴展到整個宇宙……并對它加以控制，因此他們可以調整自 己的位置，支配一切可能的資源來對抗這場大危機”。 無論如何，人類決不甘心坐以待斃，而科學也將一如既往地走自己的 路，總有一天會給人類一個明晰的答案。（周雁翎）