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标  题: 第二章 走向死亡的宇宙
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年07月16日20:13:48 星期二), 站内信件


第二章 走向死亡的宇宙



    1856 年，德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹( Herman vonHelmholtz )作
    过一项调查，以图了解在科学史上哪一个预言可能最令人灰心丧气。亥姆霍
    兹声称，那就是宇宙正在走向死亡。这种启示式断言的根据来自所谓热力学
    第二定律。这一定律（现在常简称为“第二定律”）最早是在19世纪初提出
    的，当时此定律专门用于说明热机的效率。人们不久就认识到它有着宇宙学
    意义：事实上也差不多就是宇宙的结局。


    以最简洁的方式来说，第二定律认为热量从热的地方流向冷的地方。当然，
    对于物理系统来说，这是众所周知和显而易见的特性。无论是煮饭或让一杯
    热咖啡冷却，都可认识到这条定律在起作用：热量从温度高的地方流向温度
    低的地方，对此丝毫没有神秘奥妙可言。物质的热量以分子的无规则运动表
    现出来。在空气之类的气体中，分子作无规则运动并相互碰撞。在固体中，
    原子通常被束缚在一定的位置上，尽管如此，原子同时又在这一位置附近作
    强烈的振动。物体越热，分子运动的能量越大。要是让两个不同温度的物体
    相互接触，温度高的物体中比较强烈的分子运动很快会把它的活动性传递给
    温度低的物体的分子。


    热流的这种方向性并非仅仅是冷的区域缺乏热能的缘故。例如，一个房间拥
    有大量的热能，但你决不会指望任何热能会自发地流入一杯热咖啡里而将它
    煮沸。我们会把这种逆向事件看作一种奇迹。强迫热量从冷处流向热处是可
    能的（这就是冰箱的原理），但是，要做到这一点就必须不停地消耗能量。
    热量是不会自发地“误入歧途”的。


    因为热量沿一个方向（由热到冷）流动，所以这种过程在时间上是不对称的。
    要是放映一部记录热量从冷处流向热处的影片，那看上去就像河水流上高山，
    或者雨滴上升到云层一样荒唐可笑（参见图 2-1 ）。所以，我们可以对热
    流确定一种基本的方向性，通常用从过去指向未来的箭头来表示。这种“时
    间箭头”表明了热力学过程的不可逆性，物理学家曾为此迷惑了150 年。 
    亥姆霍兹和其他—些学者发现了一个称为“熵”的物理量。在最简单的热流
    情况中，熵等于被传递的热能除以温度。当热量自发地从热处流向冷处时，
    熵便增加。当驱使热量从冷处流向热处时，系统的熵就减少，但由于外部媒
    介需要消耗能量，结果是媒介熵的增加比系统熵的减少要多，因而一个封闭
    系统的总熵总是增加的。这就是第二定律的本质。



    图 2-1 时间箭头 冰块的融化决定时间的方向：热量从温水流向冷水。要是
    一部影片按(c)、(b)、(a) 的顺序放映，人们立刻会认为是一种特技摄影。
    这种不对称性是用一个称为熵的物理量来描述的。冰融解时熵增加。


    如果你把宇宙看作一个整体，多数地方的熵是不断增加的。若哪个地方的熵
    在减少的话，作为代价，总有另外一个地方的熵要增加。总之，宇宙的熵始
    终是增加的。一个很好的例子就在我们的家门口，那就是太阳。太阳（它是
    热的）每天把热量倾入太空（它是冷的）。这些热量消失在宇宙深处，永不
    返回，因此这是一个十分壮观的不可逆过程。


    一个明显的问题是：熵会永远不断地增加下去吗？想象一个绝热封闭容器，
    内有两个相互接触的热物体和冷物体。热量从热物体流向冷物体，熵便增加，
    最后是冷物体温度升高，而热物体的温度会下降．直到它们达到相同的温度。
    一旦到达这种状况，就不再会有热交换。容器内的系统便达到某个均匀的温
    度，这种稳定状态称为热动平衡。一旦热动平衡建立了，熵就不再增加，它
    代表最大熵状态。


    只要系统保持与外界隔离，就不会再有进一步的变化。但如果通过某种方式
    对物体进行干扰，譬如从容器外向内再注入热量，那么热交换又将继续发生，
    熵也会增加到一个新的更大的最大值。这时，只要没有来自系统外部的任何
    干扰，熵就不会再继续增加。


    对于太阳和大多数恒星来说，热量外流可以持续好几十亿年，但这种热量不
    是用不完的。太阳的热量产生于太阳内部的核过程。正如我们将会看到的那
    样，太阳最终会耗尽燃料，只要没有意外变故，它会一直冷却下去，直至与
    周围空间的温度相同。


    虽然亥姆霍兹对热核反应一无所知（太阳巨大能量的来源在当时还是个谜），
    但是，他认识到这样一个普遍性原理：宇宙中所有的物理活动都是朝着热动
    平衡，或者说朝着最大熵这个最终状态发展的，随后，很可能再也不会发生
    任何有意义的活动。早期的热力学家已经认识到这种向平衡态的单向变化过
    程，并称之为宇宙的“热寂”。单个系统也许可能通过外界干扰可使它复生，
    但整体宇宙按其定义不存在“外界”，所以没有东西可以挽救宇宙免遭万劫
    不复的热寂之难。这是无法逃避的。


    宇宙正按这一方式走向死亡，这是热力学定律不可抗拒的推论。这项发现曾
    使几代科学家和哲学家为之悲观失望。例如，伯特兰·罗素（ Bertrand
    Russel l）在《为什么我不做个基督教徒》一书中写下了一段悲观而感人的
    评述：“……一切时代的结晶，一切信仰，一切灵感，一切人类天才的光华，
    都注定要随太阳系的崩溃而毁灭。人类全部成就的神殿将不可避免地会被埋
    葬在崩溃宇宙的废墟之中——所有这一切，几乎如此之肯定，任何否定它们
    的哲学都毫无成功的希望。唯有相信这些事实真相，唯有在绝望面前不屈不
    挠，才能够安全地筑起灵魂的未来寄托。”还有许多作者委婉地提到热力学
    第二定律和正在死亡中的宇宙的含义，断言宇宙的前景渺茫，认为人类的生
    存到头来也是毫无价值的。我将在第十章再回到这类悲观的议题上来，讨论
    这类带有悲观色彩的评论是否会是某种误解。


    关于宇宙最终热寂的预言不仅使我们对宇宙的未来有了某种了解，也暗示了
    宇宙在过去的一些大事件。显然，如果宇宙一直在以某一有限速率不可逆地
    衰退，那么它不可能永远存在。理由很简单：假如宇宙无限老，那它应早就
    已死亡了。以有限速率演变的某种事物显然不可能永远持续下去。换句话说，
    宇宙必定是在某个有限时间之前诞生的。


    值得注意的是，这个有深远意义的结论却没有被19世纪的科学家们很好地认
    识。宇宙以大爆炸形式突然起源的思想只能依托于20年代的天文观测，但是
    纯热力学研究似乎早已强烈暗示了宇宙的年龄有限，它是在过去的某个时刻
    诞生的。


    不过，因为这个简单的事实没有深入人心，19世纪的天文学家，如海因里希·
    奥伯斯（ Heinrich Olbers ）就曾为一个难以理解的宇宙学佯谬而困惑不
    解。这个佯谬涉及一个简单却又十分重要的问题：夜空为什么是黑暗的？初
    看起来这个问题似乎不值一提。夜空之所以里黑色是因为恒星离我们很远，
    光线又很弱。然而，要是空间无限，就会有无限多颗恒星。无限多颗暗弱的
    恒星可以迭加产生大量的光芒。


    假设有无限颗恒星，它们没有光变，而且大体呈空间均匀分布，那么要计算
    这些恒星所产生的累积星光强度并不困难（见图2－2）。恒星的亮度与距离
    的平方成反比。这意味着距离增大一倍，星光减弱为四分之一；距离增大 3 
    倍，亮度减小为九分之一，依次类推。另一方面，给定距离越远，你看到的
    恒星数目就越多。事实上，简单的几何学就可以证明这一点。譬如说，200 
    光年远处的恒星数是100 光年远处恒星数的 4 倍，而 300 光年远的恒星数
    则是后者的 9 倍。因此，恒星数按距离的平方增加，而亮度则按距离的平
    方减少。这样，两个因素相互抵消，便引出一个简单的结果：来自给定距离
    上所有恒星的累积星光强度全都一样，与距离远近无关。 200 光年远恒星
    的总亮度与 100 光年远恒星的总亮度是相同的。当我们把各种距离上全部
    恒星的光累加时，问题就来了。如果宇宙没有边界，地球上所接收到的总的
    星光量好像是无限的。夜空根本不会是黑的，而应当是无限地亮。



    图2-2 奥伯斯佯缪 设想有一个不变的字宙，其中的恒星在某个平均密度之
    下作随机分布。图中表示的是选了一批恒星，它们位于一个以地球为中心的
    薄球壳空间内（图中略去球壳以外的恒星）。射到地球上的星光总流量中有
    一部分来自这个球壳中的恒星星光。某一颗恒星的光强度随球壳半径的平方
    而减小，但球壳内的总星数与球壳半径的平方成正比。因此这两个因素相互
    抵消，而该球壳的总光度便与它的半径无关。对一个无限宇宙来说有无限多
    个球壳。显然，到达地球的光流量就会是无限大。


    要是考虑到恒星实际上有一定的大小，情况会稍有改善。虽然肉眼看来恒星
    都是一些光点，但实际上都是些球体。离地球越远，恒星的视直径越小。如
    果两颗恒星位于相同的视线上，则近的一颗便会遮住较远的那颗。在一个无
    限宇宙中，这种情况会出现无限多次。考虑到这一点，前面计算的结论就变
    了，到达地球上的光通量不再是无限大，而只是很大而已。事实上，这等价
    于把太阳圆面充满整个天空。这种情况相当干把地球放在离太阳表面一百万
    公里的地方一样。这实在是个十分不好适的地点！地球会很快被酷热所汽化。


    一个无限宇宙应当是一个宇宙熔炉这个结论，实际上是前面讨论过的热力学
    问题的另一种表现形式。恒星把热量和光辐射倾注入太空，这种辐射慢慢地
    在真空中堆积起来。假如恒星可以一直燃烧下去，那么这种辐射看来必定会
    达到无限大的强度。但有些辐射在太空中旅行时，会因碰到其他恒星而被再
    吸收（注意这等价于近距恒星遮挡住远距恒星的星光）。因此，一旦建立起
    某种平衡，辐射的强度便不再上升，这时发射率正好同吸收率相平衡。当空
    间中辐射达到恒星温度（几千开）时，就会出现这种情况，即处于热动平衡
    状态。因此，整个宇宙应当充满温度为几千开的热辐射，夜晚的天空应当在
    这个温度上发光发热，而不是漆黑一片。


    奥伯斯提出了解决这个问题的一种方法。他注意到宇宙中存在大量的尘埃，
    指出这种物质会吸收大部分的星光，因而天空就变黑了。遗憾的是，他的思
    想虽然富于想象力，然而从根本上说是不能成立的。这种尘埃最终也会热起
    来，并开始发光发热，其强度与它们吸收的辐射强度相同。


    另一种可能的解决办法是放弃宇宙空间上无限的观念。假定恒星很多，但数
    量有限，这样宇宙便由一个巨大的恒星集团组成，四周为无限的黑暗真空所
    包围。于是，大部分星光会通过流往外部空间而损失掉。


    可惜，这个简单的解答也有致命的缺陷。对于这一点，事实上在 17 世纪艾
    萨克·牛顿( Issac Newton )就已很熟悉了。问题涉及到引力的本质。每颗
    恒星通过引力作用吸引其他所有恒星，这样，在这个集团中所有恒星会一起
    向引力中心跌落、集聚。因此，如果宇宙有一个确定的中心和边界，它似乎
    一定会自行向内坍缩。一个无支撑的、有限而静止的宇宙是不稳定的，不能
    阻止引力坍缩。


    以后本书还要讨论这个问题，这里我们只要注意一个巧妙的方法。牛顿就是
    试图用它来回避困难，其推理方式如下：宇宙会向它的引力中心坍缩，仅仅
    是因为假定它有一个引力中心。如果宇宙既是无限延伸的，而平均来说恒星
    又处于均匀分布，那么宇宙将既无中心也无边界。某颗恒星会受到它周围许
    多相邻恒星来自四面八方的引力作用，这情况就好比一场巨大的、四周全是
    绳子的拔河游戏。平均说来，所有的拉力会彼此抵消，结果恒星保持不动。


    因此，如果我们接受牛顿关于坍缩宇宙佯谬的解答，我们就会再次退回到一
    个无限的宇宙，出现奥伯斯佯谬的问题。看来我们必然面临进退维谷的两难
    境地。但是，利用以后的认识，我们可以在进退两难的夹缝中找到一条出路。
    错的并不是假定宇宙在空间上无限，而是假定它在时间上无限。火焰般天空
    的佯谬是由于天文学家假定宇宙不变而产生的，即假定恒星是静止的，并以
    相同的强度永恒燃烧。但是，现在我们知道，这两个假定都是错误的。首先，
    宇宙不是静止的，而是在不断膨胀，对此后面我还要略作解释。其次，恒星
    不能永恒燃烧，尽管它们在用完燃料后还会长久存在。它们现在正在燃烧的
    事实意味着宇宙必定诞生于过去某个确定的时刻。


    如果宇宙年龄有限，奥伯斯佯谬马上可以解决。为了说明这一点，不妨考虑
    一颗非常遥远的恒星。因为光以有限的速度（每秒 30 万公里）穿越空间，
    我们看不到今天的这颗恒星，看到的只是光离开它时的星象。例如，亮星参
    宿四位于约 650 光年处，所以现在我们看到的其实是大约 650 年前的星象。
    如果宇宙诞生于 100 亿年以前，那么我们不可能看到任何离地球距离远于
    100亿光年的恒星。宇宙在空间范围上也许是无限的，不过要是它的年龄有
    限，那么在任何情况下，我们都不能看到某个有限距离以外的东西。因此，
    有限年龄而无限数目的恒星所累积的星光应是有限的，而且可能很微弱。


    从热力学角度得到了同样的结论。恒星的热辐射充满空间，并达到相同的温
    度所需要的时间非常之长，原因在于宇宙空间茫无边际。简单地说，从宇宙
    创生至今还没有足够的时间来达到热动平衡。


    因此，所有的证据表明：宇宙的寿命是有限的。它诞生于过去某个确定时刻，
    虽然现在充满着活力，但正不可避免地朝未来某个阶段将发生热寂的方向衰
    退。然而，这立刻会产生一大堆问题。末日何时来临？末日的形式怎样？末
    日是缓慢地到来还是突然降临？再则，按科学家现在对热寂说的认识，是否
    可以想象出结果也许证明它是错误的呢？







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