《仰望星空》20 - 最后的问题（一）
宇宙的命运最终会是怎样？这是我所能想到的人类能够提出的所有问题当中的最后问题，没有什么问题能比这个问题更终极了。当然，所有对此问题的回答都是现有人类智慧下的回答，也不可能得到最后的验证。那么，研究这个问题到底有没有意义，为什么要去研究？我认为，所有的意义也都是人赋予的，在我看来，引发思考，满足好奇，就是无与伦比的意义。在没有温饱之前，艺术是没有意义的，但是温饱之后，人们会发现艺术的意义大于吃饭。如果你追问下去，艺术对人类的意义到底是什么？那么追问到最后就只有一个答案，给人带来美感。
在我眼里，星空就是一首交响乐，星辰大海是她的琴弦。第一乐章，巨大的太阳带动着八大行星构成了最初的奏鸣曲，唱出天体旋转和运动的永恒主题。第二乐章，宇宙旋律转入深沉的慢板，她带我们进入到更广阔的星系和宇宙空间，让我们听到银河系、河外星系，乃至宇宙诞生之初的回响。当我们沉醉于这无尽的深邃时，旋律又开始进入到下一个风趣轻快的乐章，宇宙空间中的有机分子、类星体、脉冲星、暗物质和暗能量等角色粉墨登场，令人着迷。现在，当我们在思考宇宙的终极命运时，也就是在聆听这首宇宙交响乐的终章，她也许高昂雄浑，也许轻柔悠远，虽然她无法影响我们实际的生活，但一定能给听懂她的人带来无尽的美感。除了对美感的追求，在我看来，研究宇宙的终极命运还有另外一个意义，那就是，如果把人类文明当作宇宙中无以计数的文明中的一个来看待，那么对这个问题的研究深度，代表着人类文明在宇宙文明中的排名。它的意义不是针对某个个人，而是赋予整体人类文明的。
在暗能量发现之前，对宇宙命运的主流观点是大塌缩，科学家认为宇宙会经历一个由膨胀到收缩的拐点，然后宇宙就开始大爆炸的反过程——塌缩，最终宇宙又会缩成一个奇点，然后砰的一声再爆炸一次，如此循环往复。但后来我们发现了宇宙加速膨胀这个惊人的事实。大塌缩也就慢慢退出了主流，现在的主流观点认为，宇宙的最终命运有两种可能，一个是热寂说，一个是大撕裂说。我今天想给大家介绍的就是这两种学说。
我们先来讲热寂说。
要把这个讲清楚，就必须要提到热力学第二定律。这个定律不仅是热力学三定律中最难搞懂的一个定律，恐怕也是所有物理定律中最难说清楚的定律之一。而且“热二”的表述形式也特别多，不下十种，比如最早的表述是这样：不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响。或者这样：不可能从单一热源吸收能量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。这两个算是最通俗易懂的，但是严谨程度不够，后来的科学家继续把这条定律发展成这样：在一个系统的任意给定平衡态附近，总有这样的态存在——从给定的态出发，不可能经过绝热过程得到。又发展成这样：对于一个有给定能量、物质组成、参数的系统，存在这样一个稳定的平衡态——其他状态总可以通过可逆过程达到之。这两个表述你肯定看晕了，不用自卑，我也跟你一样晕。不过，现代对热二的表达形式倒是变得非常简洁了，一句话就能说清，但你可能还是会看不懂：
任何孤立系统中的熵只能增大不能减小。
对，关键就在于这里面出现了一个词“熵”，如果不知道这是啥，那么这句话对你来说可能还是难以理解。因此，要理解宇宙热寂说的关键是要了解热力学第二定律，了解热二的关键又是了解什么是熵。这个字其实是民国时期的著名物理学家胡刚复教授在1923年发明创造出来的，但沿用至今已经成了物理学中的一个标准术语，不仅热力学中用到，在信息论、控制论、概率论、生态学中，都被当作一个标准的术语广泛使用，这个概念相当重要。什么是熵？熵就是衡量一个系统混乱程度的度量值。比如在麻将桌上，刚刚洗好的一副牌的熵就很低，哗啦哗啦洗牌的时候，熵就很高。在一杯咖啡中，你倒入一勺牛奶，刚开始的时候，牛奶和咖啡还能分得比较清楚，但是随着时间的推移，慢慢地就混在一起了，在这个系统中，熵就是在慢慢地变大。热二定律说的就是任何一个孤立的系统，也就是没有别的系统去干扰的话，系统的混乱程度只会增大不会减小。一个打碎的玻璃杯，不可能自发地还原。你在沙漠中堆起一座沙堡，风很快就会让沙堡消失，重新回归无序，再厉害的风也永远不可能把沙子吹成一座规则的沙堡形态。这是对自然规律的一个深刻洞见。隐藏在这个规律背后的规律其实依然是概率，如果我们用沙子排列的可能方式去考察沙堡和一盘散沙，或许你就能理解为什么风只能吹出一个个外形几乎一样的沙堆，而吹不出一个规则的沙堡。而这个定律也很好地解释了为什么时间的箭头是单向的。
如果我们用分子层面去理解这个定律的话，那么就是说，在一个孤立系统中，分子排列得越不均匀，说明它还有可能继续产生新的态，那么熵就越低；分子的排列越均匀一致，也就越来越丧失了变化的可能性，熵也就越大。这个定律告诉我们，在任何一个孤立系统中，分子最终都会趋向于同一个运动速度，也就是达到均匀一致的温度，在热力学中，这称之为热平衡。
我们整个宇宙就是一个最大的孤立系统，那么对于这个孤立系统整体而言，熵只会增大不会减小，那么最终的结局也就一定是达到热平衡，换句话说，宇宙处处温度均匀一致。这就被称之为热寂（Heat death of the universe）。根据宇宙学家的计算，宇宙热寂将经历以下这些阶段，当然啦，这些只是非常粗略的计算，我们有个概念就可以了：
退化时代：从1014 年到1040年
在这段时间里，星系和恒星的形成逐渐减缓并完全停止，越大越亮的恒星燃烧得越快，太阳在银河系中算是一颗中等大小的明亮恒星，大约再过50亿年就该全部烧完了。而像比邻星这样的红矮星，体积小，温度低，比太阳可以燃烧的时间要长的多得多，但总有一天，也是要耗尽燃料，直至枯竭。当宇宙中所有的恒星都熄灭之后，只有行星、小行星、白矮星、黑矮星、中子星、黑洞等不发光的天体能够继续存在。偶尔，棕矮星之间的相互撞击会形成新的红矮星。这些红矮星会在宇宙中继续存在数十亿年，成为宇宙中唯一的可见光源。
在这个期间，大约从1016年开始，由于受到引力和引力波的扰动，行星和恒星、以及恒星的残骸都会离开它们的原始轨道，星系会开始解体，有点像树倒猢狲散的感觉。星系中慢慢地就只剩下超大质量黑洞了。
到了退化时代的1036年，宇宙中的一半物质都衰变为伽马射线和轻子。这里是基于一个目前尚无法确证的假设，也就是质子的半衰期是1036年，这是量子力学中的一个推论，但目前尚未得到强有力的实验证明。有一个很有意思的概念我要提醒大家，我前面说退化时代是1014年到1040年，你可能会直觉上认为1036年到1040年是退化时代的最后阶段了。其实完全不是，关键是这个数字太大，直觉欺骗了你。但如果我们把数字放小一点，你可能马上就明白了，比如我说退化时代是1到10000年，也就是100到104年，从第103年开始，一半的质子衰变，其实也就是说到了第1000年，质子完成了半衰。但你想想1000年之后还有9000年才到1万年啊，1000年只是整个退化时代的十分之一而已。同样的道理，尽管1014年到1036年看起来很长，但是它只不过占到了整个退化时代的万分之一而已。如果质子衰变的理论正确，那么到了漫长的1040年，宇宙中所有的物质都会衰变完毕，整个宇宙就只剩下了黑洞和轻子。
黑洞时代：从1040 年到10100 年
这是黑洞主宰宇宙的时代，这个时代更要远远长于充满恒星的宇宙时代，百花盛开的宇宙只不过占到了黑洞时代的约0.0000…（60个0）1，这是一个小到了简直无法打比方的数字，你闭上眼睛体会一下吧。但黑洞也不是永恒的，它依然无法逃脱热力学第二定律为它设定的命运，黑洞会慢慢地蒸发，最终以霍金辐射的形式将自身的质量一点点地还给宇宙。宇宙中的绝大部分物质都转变成了光子和轻子。然后，宇宙就进入到了更加漫长的——
黑暗时代：10100到10150年
在这个时代，所有残余的黑洞都会完全蒸发掉，宇宙中只剩下了光子和轻子。虽然所有物质基本上都变成光子了，但宇宙还是黑暗时代，因为宇宙实在太大，这一点点光子在巨大的宇宙空间中，简直不值一提。但此时，宇宙离最终的完全热平衡还差很远很远。大约会在101000年以后，宇宙达到了完全的热平衡，所有的光子和轻子在宇宙中均匀地分布，宇宙的熵达到了最大值。到了这个时候，我们才可以说，宇宙热寂了。那么宇宙热寂之后呢？之后是有之后还是从此再也没有之后了呢？目前的科学就只能到这里，期待我的读者中有小朋友将来能来告诉我之后的可能性。
不过，上面这个宇宙热寂年代表是建立在质子会衰变这个假设上的，那么，如果这个假设是错误的，质子不会衰变，那么，一个可能的结果就是宇宙中所有原子量小于铁的物质都会最终发生核聚变，变成铁原子。而所有原子量大于铁的原子都会最终衰变为铁原子。因为根据量子理论，铁的结合能是最小的，熵值是最大的。这个过程大约要经过101500年才能最终完成。这也是宇宙的热寂，因为最终的目标依然是熵值最大。此时的宇宙，铁原子均匀分布在宇宙的所有空间中。冰冷的热力学第二定律依然死死地统治了整个宇宙。
以上就是宇宙热寂说。为了让你对热寂说有一个更加生动的理解，我想给你看一篇阿西莫夫的短篇科幻小说。我不知道你是否知道阿西莫夫，他是美国历史上可能得奖最多的科幻小说巨头，他还是全世界产量最高的科普作家，也是我的精神导师，我喜欢他的生活方式以及人生态度。阿西莫夫一生著书无数，但他自己最喜欢的一篇短篇科幻小说就是本期“节目”的标题《最后的问题》，刘慈欣也多次在访谈和文章中提到这篇小说，阿西莫夫对这篇小说的喜爱甚至超过了他的另一篇短篇科幻小说《日暮》，这可是被美国读者票选出来的、历史上最受喜爱的美国短篇科幻小说第一名。为了能够更加符合中国人的语言习惯，也更好懂一些，我会对这篇小说做比较大的改写，有点像是再创作吧，我会把里面的人名和各种单位也改为更符合中国人习惯的词汇。我很希望让你知道，科幻小说不是只有刘慈欣写的棒，还有伟大的阿西莫夫，人类对宇宙的思考所体现出来的那种宏大和超越，在我看来是任何宗教传说都无法比拟的。
《最后的问题》（原著：阿西莫夫汪洁重新译写）
最后的问题第一次被半开玩笑地提出是在2061年的5月21日。那时人类文明刚刚步入曙光中。有两个工程师在一次喝酒时打了个100元的赌，它是这么发生的：
汪淼与丁仪是两个忠实的管理员，他们管理的对象就是人工智能超脑。这台庞大的机器长达几公里，无数的小灯在闪烁着，发出各种风扇声和嘀嘀声。汪淼和丁仪与其他上百个管理员一样，对超脑背后的运作机制一无所知。实际上，这台人工智能已经复杂到没有任何一个人能完全搞懂的地步了，即便是他的程序设计者，也是一个庞大的团队，每个人负责其中一小块，所谓的总设计师，也只是对它的大致蓝图有个基本概念，因为总设计师都换了好多任了，人类像接力赛一样，一代一代地接力开发超脑计算机。
超脑能自我调节和自我修正。这是必须的，因为人类已经做不到这一点了，它已经太复杂了。所以汪淼和丁仪其实只是对这个庞然大物进行一些非常轻松和肤浅的管理，任何其他人也都只能做到这个程度。他们要做的仅仅是给它输入数据，然后根据格式修改问题，最后翻译给出的答案。
几十年中，在超脑的帮助下人类建造了宇宙飞船，计算出航行路径，从而得以登陆火星和金星。但是更远的恒星际航行需要更大量的能源，地球上可怜的资源不足以支撑这些飞船。尽管人类不断地提高石油和核能的利用效率，但石油与核材料都是有限的。
不过，超脑的智力发展超过了人们的预期，它学会了如何从根本上解决某些深层次问题。2061年5月14日，理论成为了现实。
太阳的能量被储存和转化，得以被全球规模地直接利用。整个地球熄灭了炼油厂、火力发电站，关闭了核反应堆，打开了连接到那个小小的太阳能空间站的开关。这个空间站直径一公里，在到月球的距离一半处环绕着地球。阳光支撑着整个地球社会的运行。超脑和他的维护团队获得了巨大的荣誉。
全社会为他们庆功七天，这是人类历史中一次里程碑式的创举。
汪淼和丁仪总算逃脱了公众事务，悄悄地相聚在一个谁也想不到的荒僻工作间中。在这里，超脑的庞大身躯露出了一部分，它正独自闲暇地整理着数据，发出满足的、慵懒的嘀答声，超脑也得到了假期。汪淼和丁仪了解这一点，所以一开始他们俩并没打算打扰它。
他们带来了一瓶酒。这会儿他们想做的只是在一起，喝喝酒，放松放松。
“想一想还真是神奇，”汪淼说。他宽阔的脸庞已有了疲倦的纹路。他慢慢地用玻璃棒搅动着酒，看着冰块笨拙地滑动。“从今以后，能源再也不值钱了。只要我们想干，甚至可以把地球熔化成一颗液态大铁球，并且毫不在乎花掉的能量。即便是花掉的这些能量我看就够我们永远永远用下去了。”
丁仪将头歪向一边，撇了撇嘴，这是当他想要反驳对方时的习惯动作，“不是永远，老刘。”
“去你的，差不多就是永远。直到太阳完蛋，老丁。”
“那就不是永远。”
“好吧。几十亿年，可能一百亿年，这下满意了吧？”
丁仪用手梳着他稀薄的头发，仿佛要确认还剩下了一些。他缓缓地泯着自己的酒说，“一百亿年也不是永远。”
“但对我们来说是够了，不是吗？”
“如果说够，其实铀235对我们来说也够了。”
“好好好，但是现在我们能把宇宙飞船连接到太阳能电站，然后飞到冥王星又飞回来一百万次而不用担心燃料。靠铀235你就做不到。不信你去问问超脑。”
“我不用问它。我知道。”
“那就不要小看超脑为我们做的事，”汪淼怒道，“它做得很好。”
“谁说它做得不好？我是说太阳不能永远燃烧下去，我只是这个意思。我们在一百亿年内可以高枕无忧，但是然后呢？”丁仪用略微颤抖的手指指着对方，“不要说我们换另外一个太阳。”
俩人沉默了一会儿。汪淼偶尔将酒杯放到唇边，而丁仪则慢慢地闭上了眼睛。两人都在休息。
然后丁仪突然睁开眼，说：“你在想当我们的太阳没了就换另外一个太阳，是吧？”
“我没这么想。”
“你就是这么想的。你的逻辑不行，这就是你的问题。你就像故事里说的那个人一样，碰上了雨就跑到树林里躲在一棵树下。他可不担心，是吧，因为他以为当这棵树淋得太湿的时候他只要跑到另一棵树下就行。”
“我知道，”汪淼说，“别嚷嚷。太阳完蛋了，其他的也都会完蛋。”
“完全正确，”丁仪嘟哝道，“一切都起源于宇宙大爆炸中，尽管我们还不知道是什么原因导致的。但是当所有的恒星都熄灭了，一切也都会有个结束。有的星星熄灭得比别的早。像那些该死的巨星维持不了一亿年。我们的太阳能持续一百亿年，红矮星再怎么样最多也只有两千亿年。一万亿年后一切都是一片漆黑。熵必须增加到最大值，就是这样。”
“我非常明白什么是熵，”汪淼维护着他的自尊。
“你明白个屁。”
“我跟你知道的一样多。”
“那你该知道某一天所有的东西都会耗光。”
“是是是。谁说它们不会呢？”
“你刚才说什么来着，你这个糊涂虫。你刚才说我们有永远用不完的能量。你说的是'永远’。”
汪淼有点小尴尬，不过他马上反驳说：“也许有一天我们能让一切从头开始。”
“绝不可能。”
“为什么？总有那么一天的。”
“没有。”
“问问超脑。”
“你去问超脑。我赌100元它说这不可能。”
汪淼刚刚醉到愿意一试，又刚刚足够清醒到能拼写出问问题需要的代码。这个问题用文字来表达就是：怎样使宇宙的熵值降低？
超脑陷入了静止和沉默。缓慢闪烁的灯光熄灭了，深处传来的哔哔声也停止了。
（未完待续）
百闻不如一见，我们北京见！
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