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我们的宇宙未来将怎样19世纪的热力学预言了宇宙会因为“热寂”而死亡 20世纪的宇宙学再一次对“世界末日”作出预言 宇宙会灭亡吗 地球会消失吗 生命会终止吗 人类还会继续存在吗 这是19世纪英国著名诗人斯温伯恩描写宇宙“热寂”状态的诗句。 不论是星星还是太阳， 都将不再升起， 到处是黑暗一片， 没有溪流的潺潺， 没有声响，也没有景色， 没有冬天的枯叶，也没有春天的嫩枝 没有白天， 没有白天劳动的欢乐， 甚至没有夜晚， 因为没有夜晚的梦幻。 科学预言：宇宙将进入死寂的永恒状态 “热寂”说是19世纪中期英国物理学家开尔文和德国物理学家克劳修斯根据热力学第二定律所作的宇宙学推论。该理论认为，整个宇宙是朝着单一的方向变化的，宇宙中一切机械的、物理的、化学的、电磁的、生命的等等各种能量，最终将全部转化为热能。而热又总是自发地从高温部分流向低温部分，直至到达温度处处相等的热平衡状态为止。按照克劳修斯的说法，“宇宙的熵趋向于极大。宇宙越是接近于这个熵是极大的极限状态，进一步变化的能力就越小；如果最后完全达到了这个状态，那就任何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态”。 “热寂”说是热力学第二定律的宇宙学推论，这一推论是否正确，引起了科学界和哲学界一百多年持续不断的争论。由于涉及到宇宙未来和人类命运等重大问题，因而它所波及和影响的范围已经远远超出了科学界和哲学界，成了近代史上一桩最令人懊恼的文化疑案。 一百多年来，尽管人们都在孜孜不倦地寻求着这一疑难的最后答案，然而，最终都令无数英雄竞折腰。难怪大哲学家罗素发出这样悲观的感叹，“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”。即使是像控制论之父维纳这样的科学巨匠，最终也“控制”不住自己沮丧的感情，几乎是在绝望中悲叹，“我们迟早会死去，很有可能，当世界走向统一的庞大的热平衡状态，那里不再发生任何真正新的东西时，我们周围的宇宙将由于热寂而死去，什么也没有留下” 绝处逢生：膨胀的宇宙不会“热寂” 长期以来，对“热寂”说疑难的回答，无论从科学上看还是从哲学上看似乎都未能切中要害，缺乏说服力，因而一再爆发争论。然而，“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。20世纪六七十年代以后，自从“大爆炸”宇宙模型逐渐得到天体物理学界公认以来，“热寂”说这朵漂浮在物理学上空的“乌云”逐渐云开雾散，人类曾一度阴霾笼罩的心头终于迎来了一片朗朗晴空。 特别令人瞩目的是，1994年10月，科学美国人杂志以“宇宙中的生命”为主题隆重推出了一期专刊，其中登载了四位著名科学家的综述，全面介绍了当代天体物理学界关于宇宙起源与演化问题的研究成果大爆炸宇宙模型。该理论认为，宇宙大约是在100200亿年以前，从高温高密的物质与能量的“大爆炸”而形成。随着宇宙的不断膨胀，其中的温度不断降低，物质密度也不断减小，逐渐衍生成众多的星系、星体、行星等，直至出现生命。宇宙大爆炸理论是20世纪科学研究的重大成就，是基于几十年的创新实验与理论研究的结果。因而获得了科学界的公认，并成为现代宇宙学的标准模型。 大爆炸宇宙理论得到了三个强有力的直接证据的支持，即哈勃红移、氦元素丰度和3K微波背景辐射。 1929年，美国天文学家哈勃在研究了前人测量的星系距离资料后发现，远星系光谱线的颜色要比近星系的稍红一些。哈勃仔细测量了这种红化，发现它呈系统性变化。而且，星系愈远，光谱线红移愈大。在进一步测定了许多星系光谱中特征谱线的位置后，哈勃证实了这个效应，并指出红移现象的产生是由于星系在退行而使光波变长的结果。由此，他总结出了著名的哈勃定律：星系退行的速度与距离成正比。从哈勃定律人们会很自然地得出宇宙在膨胀的推论。这个重大发现奠定了现代宇宙学大爆炸理论的基础。支持大爆炸宇宙论的第二个证据是宇宙中氦元素丰度的预言和测定。大爆炸发生一秒钟以后，宇宙是由极高温的基本粒子组成的“羹汤”，这时整个宇宙处于均匀的热平衡态。随着宇宙的膨胀和降温，其中的一些粒子逐次与其余部分粒子脱耦。此时产生的核反应使中子和质子聚合在一起，形成氦核，余下的核子（没有聚合的质子）自然就形成了氢核。精确的理论计算表明，当时应有236的物质质量聚合成了氦核。英国皇家格林尼治天文台对众多星系中原始星云的发射光谱进行观测的结果表明，宇宙中氦的实际丰度为235。这一结果与大爆炸的理论预言极为相符。 支持大爆炸理论的第三个证据是3K微波背景辐射的发现。大爆炸理论预言，现在的宇宙中应该存在着一种来自宇宙早期的均匀的、各向同性的微波背景辐射，它是宇宙早期的遗迹，频谱应该符合普朗克黑体辐射公式，温度约为3K。这一预言在1965年被射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊在宇宙观测中证实，此后亦为众多科学家进一步证实。这一结果表明，宇宙早期曾一度处于平衡态，处处都有相同的温度，而且物质分布也是相当均匀的。大爆炸之后，宇宙才逐渐偏离热平衡态。 实际上，解决宇宙“热寂”疑难的关键，应从宇宙中是否存在热平衡态这一根本性问题着手。现在，大爆炸理论直接证明了宇宙在膨胀，而宇宙在膨胀则是热力学和宇宙学相容的关键，那么在一个膨胀的宇宙中是否存在着热平衡态呢？要回答这一问题，还得从宇宙膨胀的原因说起。 宇宙膨胀的原因是由于引力的作用。在不考虑引力的经典热力学中，加热则体系升温，冷却则体系降温，热容量是正值。而在一个自引力体系中情况刚好相反，加热则体系变冷，放热则体系升温，热容量是负值。在一个体系中，如果同时存在着正热容物体和负热容物体，那么这个体系就具有极大的不稳定性。稍有扰动，平衡就会彻底遭到破坏而产生温差。只要有自引力体系存在，原则上就不存在稳定的热平衡，而宇宙间的天体或天体系统大多数正是这种自引力系统。尽管自引力系统中熵是增加的，但由于没有热平衡，熵的增加是无止境的，永远都没有极大值，因而宇宙就永远不可能达到“热寂”状态。这种现象在静态宇宙模型中是不可能发生的，也是开尔文和克劳修斯等人没有料想到的。 于是，人类终于从百年梦魇中醒来，爆发出热情的欢呼，“宇宙不但不会死，反而会从早期的热寂状态（热平衡态）下生机勃勃地复苏”，“热寂说的一页，已被翻过去了”！ 最后的大屠杀：宇宙有生必有死 然而，人类的欢呼似乎来得早了一点。尽管热力学意义上的宇宙热寂状态永远不会到来，但宇宙的命运却不会因此而变得更加令人乐观。宇宙的结局完全取决于它的初始条件，宇宙的创生与终结始终紧密相连。大爆炸理论发现了宇宙起源的真相，同时也预言了它遥远的未来。 在大爆炸理论看来，宇宙的未来完全取决于宇宙密度是小于还是大于某个临界值。如果宇宙密度小于临界值，表明宇宙是膨胀的，并且一直膨胀下去。假使如此，未来所有恒星上的热核反应都将逐渐停止，留下的将是各种各样的宇宙“熔渣”黑矮星、中子星和黑洞，而宇宙的背景辐射温度将不断下降，以至于无限地趋近于绝对零度，最终达到另一种意义上的“冷寂”。如果宇宙密度大于临界值，表示宇宙起初膨胀，到达一定时刻后，就将转化为收缩。当宇宙不断收缩至愈来愈接近它的最后阶段时，环境条件同大爆炸后不久起支配作用的那些条件越来越相似。在宇宙暴缩的最后时刻，引力成为占绝对优势的作用，所有的物质都将因挤压而不复存在，包括时空本身在内的一切有形的东西统统将被消灭，只剩下一个时空奇点。无论宇宙最后出现哪一种状态，其结果对人类来说都将是灭顶之灾。 这就是大爆炸理论为人类预言的宇宙未来和世界末日。由于这一理论也不合人们的期望，因而当它提出之日起同样也遭到了来自各方面的反对，并认为它是一个“倒了头”的宇宙“热寂”说。然而，自然规律毕竟不以人的意志为转移，人类必须正确对待，最好的心态是，“我们决不能忽视物之有