衰退的宇宙

如果有足够多的纸和墨水，我们就能写下一个方程，根据这个方程，我们可以计算出整个宇宙今后的演变。但如果我们想要回溯宇宙之前的历史，我们终将回溯到一个起点，在这个起点，方程不再有任何意义——我们来到了一个通过任何已知自然规律都不能从之前的物质状态产生的态。

——威廉·克利福德（William Clifford）［27］

19世纪出现了一种新的研究宇宙的方式（我们现在称之为“范式”）。随着工业革命主导了整个维多利亚时代，工程、机械、船舶、蒸汽机和熔炉促进了经济发展，也刺激了相关领域的科学研究，以至于热力学第二定律在这个时代被发现了。［28］事物变化和发展的过程成了哲学家与工程师的信条，因此，科学家开始将整个宇宙视为一个巨大的机器，并开始探讨热力学将如何影响宇宙的过去和未来，这也就不足为奇了。

物理学家发现，规则的能量形式（如电流或回转运动）是倾向于转化成完全无序的形式（如热能）的，这是物理学家在热机（即热力发动机）方面最意义深远的发现。1850年，鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius，1822—1888）发现，在一个没有任何物质可以逃出的封闭有限系统中，能量只能单向地从规则的形式变成无序的形式。1865年，他发明了“熵”（entropy）这个概念，并用这个概念表示能量的无序度。那么，以上发现也可以表述为：封闭有限系统的熵永远不会减少——这就是热力学第二定律，它是最伟大的解释性科学原理之一。［29］不过，从传统的牛顿力学角度看，它算不上是一种“自然定律”，它无法告诉我们一个物体在受到力的作用或者在重力驱使下自由下落时会发生什么，热力学第二定律只是一个统计规律，这个规律统领着一整个容器中的大量分子。

牛顿定律允许的很多事情实际上根本不会发生。牛顿定律允许玻璃杯掉到地上摔成碎片（这样的场景我们经常见到），但它同样允许在时间上相反的事情发生：掉在地上的一大堆碎片在一瞬间彼此结合起来，形成一个完整的玻璃杯（这个场景我们就从未见过了）。两者的区别在哪里呢？区别在于，你可以很容易地构建出一系列条件来制造出一个打碎的玻璃杯，却几乎不可能制造出一系列完全合适的条件，让各种形状的玻璃碎片以恰好的速率和方向运动，并最终形成一个完好的玻璃杯。因此，我们绝不会看到无序状态在没有人为干预的情况下变成有序的——尽管这种过程并不违反牛顿定律。我们只能看到有序状态渐渐衰退成无序状态——这种情况发生的可能性要高得多。

那么，把这条无序性不断增加的热力学第二定律应用到整个宇宙，会发生什么情况呢？用克劳修斯的话来表述就是：宇宙的熵将不断增加，最终达到极大。克劳修斯认为，这意味着宇宙的演化不可能是循环周期性的，比如同样的情况重复出现，或者宇宙像凤凰一样死去之后从灰烬中重生之类的。对这个问题的思考，让他得出了“宇宙热寂”这一概念：系统的无序性会不断增加，也就意味着宇宙注定会走上一条从有序态不断衰退到无序态的道路。

最终，宇宙中的一切物质都会被淹没在一片热辐射的海洋之中。宇宙里不再有恒星和行星，宇宙的各个部位之间也不再有温度和能量的差异，这种热力学上的均匀性代表着一切变化和发展都已停止，所谓的“生命”自然也已不再存在。回溯历史，宇宙的过去必然会比现在更有序，那么宇宙开端是处于最有序的状态吗？是否宇宙就不可能万寿无疆，而是必然会达到一个完全的热平衡态，即热寂态？［30］

对那些认为宇宙是在一段有限的时间之前从虚无中诞生，并试图把这一观念同新的演化观点结合起来的人来说，这种想法不无吸引力。但热寂说对未来的描绘实在太悲观了，就算有了革命性的社会进展和日新月异的技术，工业社会最终还是会不可避免地走向末日，而人类对此无计可施。忽然间，宇宙似乎就变成一个不那么适合人居住的地方了。

1851年到1854年，开尔文勋爵也在一系列论文和讲座中讨论了这一观念。开尔文对热力学第二定律对宇宙的过去和未来的影响非常感兴趣，由于宗教信仰，他很想证明宇宙确实存在一个开端，而不是永恒地循环［31］，但他也不希望宇宙的未来会走向热寂。他认为，热力学第二定律并不一定会导致这个结果，因为宇宙并不是一个克劳修斯所说的有限系统，它是无限的，或许大自然的定律未来还会改变。其他的一些物理学家和哲学家，如恩斯特·马赫（Ernst Mach），也认为热力学第二定律顶多只能在恒星或行星的范围内起作用，不能应用到整个宇宙。在他们看来，宇宙可不一定是个封闭的热力学系统，甚至它能不能受到熵的影响都不好说。

使用热力学第二定律来论证宇宙有开端的不仅仅是基督教学者，还有像逻辑学家、哲学家、经济学家威廉·杰文斯（William Jevons，1835—1882）［32］这样激进的唯物主义者。他相信，热力学第二定律的存在表明宇宙一定有个开端，或者至少存在一个时间点，在那前后的宇宙有着不同的自然定律。然而，如弗里德里希·恩格斯这样笃信辩证唯物主义的政治哲学家只会在循环宇宙的模型下支持熵增论，不管是关于宇宙有限的论证，还是它最终会走向热寂的结论，都会指向上帝的存在，而这是恩格斯绝对不能接受的。

只有一个人意识到，宇宙的熵逐渐增加，并不意味着熵一定在有限的一段时间之前［33］是零，这个人就是信仰天主教的物理学家、科学史学家皮埃尔·迪昂（Pierre Duhem，1861—1916）。他认为，熵增并不能作为宇宙在某一个时刻从虚无中诞生的论据，也不能说明宇宙在未来会走向热寂，因为熵不断增加并不意味着熵在过去有一个极小值，或者在未来会达到一个极大值，一个简单的范例便是图2.6。

热力学的发展在1895年迎来了最后一个转折：路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）和恩斯特·策梅洛（Ernst Zermelo）经过研究后表明，宇宙是无限大的，并且其总体已经处于热平衡状态。尽管总体处于热平衡态，宇宙在各个地方仍然存在着一些偏离平衡态的随机涨落，有些涨落范围很大，如我们的整个银河系，生命就在此处诞生。［34］这些大的非平衡涨落区域是很少见的，正如生命也是如此少见。

其实，玻尔兹曼的涨落说在1879年就由英国物理学家塞缪尔·托尔弗·普雷斯顿（Samuel Tolver Preston）提出来了。普雷斯顿原本是个电报工程师，但他对热力学与引力的研究颇深，甚至于1894年在德国拿到了博士学位——虽然那个时候他已经50岁了。普雷斯顿惊讶于整个宇宙的巨大无垠，他觉得想从我们观测到的这一小部分宇宙来推知整体是不可能的，因此他提出，宇宙的确存在一些区域展现出了适合生命演化的性质，但我们不能推知整个宇宙也是一样。具体而言，在我们所在的这部分宇宙里，熵必定是逐渐增加的，因为生化反应的进行必然伴随着熵增，而“既然我们存在，我们就必然处在一个适合生命存在的环境中”。此外，普雷斯顿还提道：

宇宙必须具有如下的特殊性质：允许局部的温度涨落达到无穷大，允许在相当大的一些区域内有物质的集聚、组成和生成……同时又能保证整个宇宙大致上看仍然是均匀的。［35］

如果宇宙的熵在各处都均匀增加，就必然意味着在过去的某个时间之前物理定律是不起作用的，［36］而普雷斯顿的理论避免了这一糟糕的结论出现。这一理论提出了130多年之后还与宇宙学有着关联，我们将在第10章再次提到它。