1、宇宙的最后三分钟前 言60 年 代 初 ， 在 我 还 是 个 学 生 时 就 对 宇 宙 的 起 源 问 题 产 生 了 非 常 浓 厚 的 兴趣。大爆炸理论诞生于 20 年代，但直到 50 年代才引人注目。当时这种理论 虽已广为流行，但远未使人信服。稳恒态学说与大爆炸理论相悖，它断然否 认宇宙存在着起源问题。在半个多世纪里，稳恒态学说是最为流行的理论。 1965 年，罗伯特彭齐亚斯（Robert Penzias）和阿诺威尔逊（Arno Wilson）发现了宇宙背景热辐射。这一发现，使大爆炸理论被更多的人所接 受。 那么， 这能否被看作是宇宙在炽热的猛烈爆炸中突然诞生的确实证据呢？宇宙学家们
2、异常兴奋地在探索这一发现的意义。大爆炸 100 万年后的宇 宙有多热？大爆炸 1 年之后、1 秒钟之后情况又如何？在原初的炽热状态中 曾出现过多少种物理过程？是否可能找到宇宙诞生时的遗物，而这种遗物还 保留着当时曾压倒一切的极端条件的痕迹？1968 年 ， 我 曾 参 加 了 一 次 有 关 宇 宙 学 的 讲 座 。 那 次 讲 座 对 我 来 说 依 然 记 忆犹新。在即将结束演讲时，那位教授根据背景热辐射的发现这一事实，评 估了大爆炸理论。“一些理论家已开出了宇宙化学成分的清单，”他微笑了 一下说道，“这份清单的根据是大爆炸最初三分钟发生的核反应过程。”所 有的听众哄然大笑。这给人一种印
3、象，即试图描述宇宙刚诞生时的状态似乎 是极其荒谬的。甚至就连那位异常仔细地研究了圣经之后宣称宇宙诞生 于公元前 4004 年 10 月 23 日的詹姆斯厄谢尔（ James Ussher）大主教， 也没有胆量列出宇宙最初三分钟所发生的事件的准确顺序。在宇宙背景热辐射发现约 10 年之后， 最初三分钟的理论已在大学里进行 讲授，这是科学的进步。美国物理学家和宇宙学家史蒂文温伯格（Steven Weinberg） 在 1977 年 写 了 一 本 畅 销 书 ， 书 名 为 最初三分钟 （The First Three Minutes）。此书被公认为科普读物的里程碑。作为一位知名的权威 和专家，温
4、伯格在书中向世人描绘了一幅完全令人信服的宇宙起源图，包括 在大爆炸之后仅仅数秒或几分钟内出现的详细过程。当大众还陶醉于那些令人兴奋的成就时，科学家们却已在向前迈进。他 们的注意力开始从对“早期宇宙”（大爆炸后数分钟）的研究转向了对“极 早期宇宙” （ 大 爆 炸 后 极 短 暂 一 瞬 间 ） 的 研 究 。 约 过 了 10 年 后 ， 斯 蒂 芬 霍 金（Stephen Hawking） 大 胆 地 在 时 间 简 史 （ A Brief History of Time） 一 书 中 提 出 了 关 于 大 爆 炸 后 最 初 一 万 亿 亿 亿 忆 分 之 一 秒 时 的 最 新 观 念
5、。现在看来，1968 年那次讲座结束时听众发出的哄笑显得是多么无知。随着大爆炸理论逐渐被大众和科学界所充分接受，人们越来越注重对宇 宙未来的研究。我们现在已有了宇宙如何诞生的很好的概念，但宇宙将如何 结 束 呢 ？ 它 最 终 的 命 运 又 将 如 何 ？ 宇 宙 是 否 会 以 爆 炸 或 抽 搐 的 形 式 终 其 一 生，或甚至永久消失？那时人类又将如何？人类或其后裔无论是机器人 还是人类自己能否幸免于难而永复存在？即使哈米吉多顿 （Armageddon） *正 好 不 在 附 近 ， 对 这 类 事 情 如 果 不 产 生 好奇是不可能的。由于近来因人为危机的困扰，我们不得不思考现实
6、宇宙学 尺度时，我们为在地球上生存下去而奋争便成为备受欢迎的新内容。宇宙 的最后三分钟正是一本描述宇宙未来的书。此书根据一些著名物理学家和 宇宙学家的最新研究成果，并尽我们所能来对宇宙的未来作一番预测。这种预测绝非基督式的启示。事实上，经验的发展和累积蕴育着空前的潜能，而 宇宙的未来使这种潜能充满了希望。然而，我们决不能忽视物之有生亦哈 米吉多顿是圣经启示录中 3 个魔鬼聚集天下众王的总称，作为世界末日 的代名词或预言家译者注必有死的事实。死亡或许正是为创生而不得不 付出的代价。这本书是为普通读者撰写的，阅读时无需具备专业知识，也不 需要数学。然而，在书中我有时不得不讨论一些很大或很小的数字。
7、使用一 种 简 洁 的 数 学 符 号 来 表 示 这 些 数 字 是 很 有 用 的 ， 这 种 符 号 就 是 “10 的 幂 次 方 ”。 这 里 介 绍 一 下 它 的 用 法 。 一 个 数 ， 例 如 1000 亿 ， 完 整 地 写 出 来 是100000000000， 这 是 相 当 麻 烦 的 事 。 在 这 个 数 里 1 后面跟着 11 个 零 ， 因 此 我 们可以用 1011 来 表 示 。 类 似 地 ， 100 万为 106， 10000 亿是 1012。 当 幂 指 数 增 加时，这种符号会掩盖数字的增大速度。例如，10 12 比 1010 大 100 倍，前者
8、 是 个 大 得 多 的 数 ， 尽 管 看 上 去 它 们 几 乎 相 同 。 也 可 以 用 10 的负幂指数来表示 很 小 的 数 。 例 如 ， 十 亿 分 之 一 ， 即 1/1000000000 可写成 10-9， 因 为 这 个 分 数 的分母为 1 后面有 9 个零。最后，我要忠告读者，本书无疑在很大程度上是推测性的。宇宙的基本 演化图象是建立在相当科学的基础上的，它先从大爆炸起源，随后膨胀并向 某种物理终态退化冷却，或可能是灾变性地坍缩。但是，对于在所涉及的无 限时标上可能会出现什么样的起支配地位的物理过程我们还很不清楚，天文 学家对普通恒星的总体命运已有清晰的观念，对中子星
9、和黑洞的基本特征也 理解得越来越深刻。但是，如果宇宙能存在好几万亿年或更长的时间，或许 会存在一些非常微妙的、我们仅能推测其存在的物理作用，而这种作用最终 会变得极为重要。既然我们面对着因对自然规律一知半解而产生的问题，因而试图推演宇 宙最终命运的最好方法就是，利用现有最完善的理论来演绎出合乎逻辑的结 论。然而问题在于，许多与推测宇宙最终命运有重大关联的理论仍有待于实 践的检验。我在这里讨论的一些物理过程，如引力波发射、质子衰变和黑洞 辐 射 等 ， 虽 然 理 论 家 已 深 信 不 疑 ， 但 这 些 过 程 至 今 尚 未 观 测 到 。 更 重 要 的 是 ， 毋容置疑还存在着一些我们
10、一无所知的其他物理过程，这些过程或许会大大 地改变我的结论。这 些 不 确 定 因 素 在 技 术 领 域 以 及 宇 宙 智 能 生 命 的 作 用 方 面 显 得 更 为 突 出，在这一点上，我们将一起进入科学幻想的王国。不仅如此，我们还不能 忽视这样一种情况：经过千秋万代之后，生命体或许能极大地改变空前巨大 尺 度 上 物 理 系 统 的 特 性 。 在 本 书 中 ， 我 打 算 把 宇 宙 中 的 生 命 体 作 为 一 个 议 题 ， 这是因为就许多读者来说，对宇宙命运的关注是与他们对人类及其后裔的命 运的关注紧密相连的。我们应该始终记住，科学家们还远没有真正认识人类 意识的本质，
11、以及能容许意识活动在宇宙遥远的未来继续下去所必需的物质 需求。在编写本书时，我曾与约翰巴罗（John Barrow）、弗兰克蒂帕勒（Frank Tipler） 、 贾森 特瓦姆利 （Jason Twanley） 和罗杰 彭罗斯 （Roger Penrose） 就 本 书 的 主 要 内 容 进 行 了 有 益 的 探 讨 ， 在 此 表 示 诚 挚 的 谢 意 ， 并 要 感谢本系列丛书的编辑杰里莱昂斯（Jerry Lyons）对书稿一丝不苟的评 阅。 科 学 大 师 佳 作 系 列 中 文 版 序人 类 正 在 迎 接 世 纪 之 交 。 即 将 消 逝 的 20 世 纪 ， 科 学 技 术
12、 又 有 了 过 去 无 法 比拟的巨大发展与进步。科学上的重大发现，与技术发明、创造相互交替影 响与促进，使人们对客观世界的认识更深入、更丰富多采了。以“宇宙演化”这一课题为例，科学美国人杂志 1994 年 10 月号以 “宇宙中的生命” 为题的专刊， 登载了詹姆士 皮博 （P.Janles E. Peebles） 等 4 位科学家的综述文章，介绍了近年来对宇宙起源的演化问题的研究成果大爆炸标准模型。按照这一理论，宇宙是在大约 150 亿年以前从炽热而 且稠密的物质与能量“大爆炸”而形成，随着它急骤膨胀、冷却，逐渐衍生 成众多的星系、星体、行星，直至出现生命。人类生活于其中的太阳系，约 在
13、50 亿 年 前 才 开 始 出 现 。 这 篇 文 章 指 出 ， 研 究 宇 宙 学 问 题 的 还 有 哲 学 家 、 神 学家、神秘主义者；然而，与他们不同的是，科学家们只接受经过实验或观 测 检 验 过 的 事 实 。 文 章 还 指 出 ： “我 们 对 宇 宙 起 源 与 演 化 的 认 识 ， 是 20 世纪 科 学 研 究 的 重 大 成 就 之 一 ， 这 正 是 基 于 几 十 年 的 创 新 实 验 与 理 论 研 究 的 结 果。用地面和发射到空间的现代望远镜，可探测到远在数十亿光年之外的星 系发出的光，它告诉我们宇宙年青时是何种模样。用粒子加速器可探索宇宙 演化初期
14、其高能环境的基础物理学。用人造卫星可探测到宇宙早期膨胀后留 下的本底射线，使我们在能观察到的宇宙最大尺度范围内勾画出它的大致图 象”。当然，由于观察和实验受到条件和能力的局限，正如过去许多理论认 识仅是客观真实的一种近似那样，也还有许多问题尚不能由这一理论作出回 答 ， 需 要 科 学 家 们 继 续 努 力 进 行 创 新 研 究 ， 井 通 过 更 多 的 观 察 、 实 验 来 解 决 。江泽民同志近年来多次指出，各级领导干部要努力学习与掌握现代科学 技术知识。1994 年 12 月，中共中央、国务院发出了关于加强科学技术普 及工作的若干意见，要求从科学知识、科学方法和科学思想的教育普及
15、 3 个方面推进科普工作。问题是：当代科学之发展如此迅速，其前沿领域又如 此艰深，究竟能不能凭借通俗的语言，使广大干部和社会公众对当代科学成 就取得比较中肯的了解？这很不容易，但回答仍是肯定的。已故美国科普泰斗艾萨克阿西莫夫（1saac Asimov） 曾 经 说 过 ： “只要科学家担负起交流的责任对于自己 干 的 那 一 行 尽 可 能 简 明 并 尽 可 能 多 地 加 以 解 释 ， 而 非 科 学 家 也 乐 于 洗 耳 恭 听，那么两者之间的鸿沟便有可能消除。要能满意地欣赏一门科学的进展， 并不非得对科学有透彻的了解。归根到底，没有人认为，要欣赏莎士比亚， 自己就必须能写出一部伟大
16、的文学作品。要欣赏贝多芬的交响乐，也并不要 求听者能作出一部同等的交响乐。同样地，要欣赏或享受科学的成就，也不 一定非得躬身于创造性的科学活动。”这 番 话 很 有 道 理 。 而 美 国 布 罗 克 曼 公 司 组 织 编 写 的 科学大师佳作系列（Science Masters Series）则堪称贯彻这一宗旨的上乘之作。该系列的 作者们，既是当代科学前沿研究领域中享有盛誉的专家，又是成绩卓然的科 普作家。他们的这些作品内涵丰富，深入浅出，水准确实是很高的。同时， 该系列的选题布局也很有特色：既有选择地抓住了当前科学发展的若干热点 或 焦 点 ， 又 从 整 体 上 兼 顾 了 学 科 覆
17、 盖 面 。 这 从 该 系 列 第 一 辑 12 本书和第二辑10 本书的选题即可见一斑。科学大师佳作系列是世界科普出版界的一项盛举：它将在全球范围 内的数十个国家中，以二十几种语言出版。上海科学技术出版社与布罗克曼 公司签约，取得了出版中译本的版权。为确保中译本早日问世，出版社邀请 了 10 余 位 专 家 、 学 者 组 成 中 文 版 编 译 委 员 会 ， 决 定 每 拿 到 一 本 英 语 原 著 打 字 稿，即着手组织本学科领域中既有学术专长、又有著译和科普写作经验的学 者翻译。经过编译委员会诸同仁和全体译、校、编者的共同努力，科学大 师佳作系列 中译本中首先推出的 3 本已呈献
18、于读者面前， 即 宇宙的起源 、宇宙的最后三分钟与人类的起源。这 3 本书也正好是我前面举例讲 到的介绍“宇宙的起源与演化”课题的精辟之作。作为中文版编译委员会的 主任，我对此委实是不胜欣喜的。该 系 列 的 作 者 之 一 、 哲 学 家 丹 尼 尔 丹 尼 特 说 过 ： “我将这项计划 （按： 即出版科学大师佳作系列）视为向这个世界撒下了一张网，它捕获的将 是我们这颗行星的下一代思想家和科学家。”但愿果真如此。与此同时，我 也衷心地企盼我国的科学家、科普作家、出版家们能并肩奋斗，不懈努力， 写作和出版一批足以雄视世界科普之林的传世佳作，为我国科学事业的长足 进步作出更大的贡献。谨序如斯，
19、愿与读者共勉。朱 光 亚1995 年 1 月 20 日于北京宇 宙 的 最 后 三 分 钟第 一 章 “世 界 末 日 ”日期：公元 2126 年 8 月 21 日，世界末日。 地点：地球。绝 望 的 人 们 在 整 个 星 球 上 四 处 寻 觅 藏 身 之 处 ， 数 以 十 亿 计 的 人 已 走 投 无 路 。 一 些 人 绝 望 地 在 寻 找 废 弃 的 矿 井 、 洞 穴 ， 甚 至 潜 水 艇 ， 恐 慌 之 中 想 在 地 下 深 处 找 到 逃 生 之 地 ， 但另一些人却毫不在意，他们横冲直撞，杀气腾腾。然而，大多数人只是痴呆而静悄悄 地坐着，等待死神的降临。世界末日来临
20、了。高 空 中 ， 一 道 巨 大 的 闪 电 印 在 天 幕 上 。 初 时 ， 一 条 轻 絮 般 细 管 形 辐 射 状 星 云 逐 日 膨胀，形成一股气旋，翻滚着向空寂的天宇涌去。长条形气旋的顶部是一个外形狰狞、 今人恐惧的黑团，这是一颗彗星，虽然头部不大，却携带着与其很不相称的、具有毁灭 性 的 巨 大 能 量 。 它 夹 带 着 1 万 亿 吨 冰 块 和 岩 石 ， 以 每 小 时 6.4 万 公 里 ， 即 每 秒 近 18 公里 的惊人速度逼近地球。人 类 唯 一 能 做 的 就 是 坐 以 待 毙 。 面 对 着 已 注 定 了 的 命 运 ， 科 学 家 们 早 就 抛
21、弃 了 他 们的望远镜，悄然地关上计算机。对灾难无休止的模拟，结果仍然模棱两可，而他们的 结论又使人惊恐万分，无法公诸于世。一些科学家利用普通老百姓所没有的尖端技术优 势 ， 精 心 准 备 好 了 逃 生 计 划 。 另 一 些 科 学 家 则 打 算 尽 他 们 所 能 来 仔 细 观 察 这 世 界 的 末 日 ， 并把观察数据传至深埋于地球内部的时代信息密封器。他们在最后一刻，仍然起到一个 真正的科学家应起的作用。撞 击 时 刻 临 近 了 。 全 世 界 成 千 上 万 的 人 都 在 紧 张 不 安 地 看 着 手 表 。 这 正 是 宇 宙 的 最 后 三 分 钟 。爆 心 投
22、影 点 正 上 方 的 天 空 被 劈 开 了 ， 掀 起 几 千 立 方 公 里 的 气 浪 。 一 条 比 城 市 还 宽 的 灼 热 火 焰 沿 弧 线 冲 来 ， 15 分 钟 之 后 急 速 击 中 地 球 。 一 万 次 地 震 才 具 有 的 巨 大 力 量 使 地 球不停地震颤。空气被挤压而产生的冲击波横扫地球表面，沿途所有建筑被夷为平地， 一切的一切都被碾成粉末。撞击点周围的平地升起一个几公里高的液态环形山，在 100 多公里直径的撞击坑穴中，地球内层暴露无遗。熔岩壁波浪式地向外涌出，地面颠簸起 伏，犹如一条因受拍打而缓慢蠕动的毛毯。坑 穴 内 部 数 以 万 亿 吨 计 的
23、 岩 石 被 汽 化 ， 而 数 量 比 这 多 得 多 的 物 质 则 被 高 高 抛 起 ， 其中一部分直接抛入太空，更多的则被扔过半个大陆，暴雨般地撒落在数百乃至数千公 里以外。受害之地万物尽遭严重毁坏。急射而出的熔岩一部分会落入大洋，激起巨大的 海 啸 ， 从 而 加 剧 了 悲 剧 的 蔓 延 。 大 量 的 尘 埃 碎 屑 在 地 球 大 气 中 飘 散 ， 导 致 全 球 遮 天 蔽 日 。 不过，当抛入太空的物质返回大气层时，照射地面的将不是阳光，而是由数以十亿计流 星所发出的眩目不祥之光，这种强光所带来的无情的酷热将使大地变为焦土。上述景象也许会发生，也许并不会发生。天文学家
24、已经算出，一颗名为 斯威夫特塔特尔（Swifi 一 Tuttle）的彗星，在公元 2126 年 8 月 21 日与 地球相撞的概率为百万分之一。假若真的发生了，全球性的毁灭是不可避免 的。全部人类文明便有可能毁于一旦。要是没有相撞，人类便会宽慰地舒一 口气，并安心返回工作岗位。但是，斯威夫特塔特尔彗星或者别的某个类 似的天体早晚会撞击地球。人们作过估计，至少有 2 万颗直径为半公里或更 大一些的天体的运动轨道与地球轨道相交。这些天外来客起源于寒冷的太阳 系外部区域，有些来自位于火星和木星之间的小行星带，另一些则是彗星的 残骸，后者可能是从一个极其巨大的碎片团中分离出来的。这个碎片团距太 阳约
25、1 光年之远，称为奥尔特（Oort）云，它是以荷兰天文学家奥尔特的名字命名的。许多这类天体所能造成的破坏比全世界所有核武器所能造成的破坏的总 和还大。因此，问题仅在于某个天体撞击前人类究竟还有多少时间作准备。 要是真的发生这种事，对人类来说将是个糟透了的新闻：人类的历史将会发 生前所未有的突发性中断。然而，对地球来说这只是件颇为寻常的事。平均 说来，这种量级的彗星或小行星撞击地球的事件每几百万年便会发生一次。 人们普遍认为，6500 万年前的一次或数次这类事件的发生结束了恐龙时代。 下一次轮到的可能就是我们人类了。对世界末日深信不疑的观念深深扎根于大多数宗教和文化之中。 圣经 启 示录中有一段
26、关于死亡和毁灭的生动描写：“又有闪电、声音、雷轰、大 地震。自从地上有人以来，没有这样大、这样厉害的地震列国的城池都倒 塌 了 ， 众 山 也 不 见 了 。 又 有 大 雹 子 从 天 落 在 人 身 上 ， 每 一 个 约 重 1 他连得。 因为这雹子的灾难极大，人就亵渎上帝。”宇宙中到处都有剧烈活动，地球只是宇宙中一个微不足道的天体，因而 地球上以前很可能发生过许多可怕的事情。不过，我们的行星保持适宜生命 的环境至少已有 35 亿年了，因而宇宙并非完全充满敌意。我们在地球上得以生存的秘密在于空间巨大无比的空间。我们太阳 系只是在茫茫宇宙海洋中的一个极小的活动岛。距太阳最近的一颗恒星远在
27、4 光年之外。为了认识一下这段距离有多远，想一想光只需 8 分半钟就可从太阳超越约 150 百 万 公 里 到 达 地 球 。 而 在 4 年 的 时 间 内 ， 光 将 越 过 37 万亿公 里的距离。太阳是我们的星系银河系中一个典型区域里的一颗典型恒星。银河 系约包含 1000 亿颗恒星，它们的质量从太阳质量的百分之几到太阳质量的100 倍 。 这 些 恒 星 ， 连 同 许 多 气 体 云 和 尘 埃 ， 还 有 不 计 其 数 的 彗 星 、 小 行 星 、 行星及黑洞一起，缓慢地绕银河系中心旋转。只要考虑到银河系可见部分的 尺度达 10 万光年这一事实， 这个巨大的天体集团就不会给人
28、以银河系处处拥 挤不堪的印象。银河系的形状像个盘子，中心部分鼓起，几条由恒星和气体 组成的旋臂从中心向外伸展。我们的太阳位于一条旋臂之中，离银心约 3 万 光年。据目前所知，银河系毫无特殊之处。在仙女座方向上有一个名叫仙女星 系 的 类 似 星 系 ， 它 位 于 距 地 球 200 万 光 年 之 远 处 ， 它 看 上 去 像 个 模 糊 的 光 斑 ， 肉眼勉强可见。点缀在可观测宇宙中的星系有好几十亿个之多，有的呈旋涡 状，有的呈椭圆形，也有的很不规则。它们的距离非常遥远。高倍望远镜能 够观测到几十亿光年远的单个星系的像。某些星系发出的光到达我们这里所 需的时间比地球的年龄（40 亿年）
29、还要长。这样大的空间意味着宇宙中碰撞是罕见的。对地球的最大威胁可能来自 我们自己的家园。小行星的轨道一般不靠近地球。大部分小行星都位于火星 和木星之间的一条带上。但是，木星的巨大质量会干扰小行星的轨道运动， 偶而将其中某个小行星推向太阳，从而对地球构成威胁。另一种威胁来自彗星。人们认为，这些看上去很壮观的天体起源于离太 阳约 1 光 年 远 的 一 块 观 测 不 到 的 云 团 。 彗 星 对 地 球 形 成 的 威 胁 并 非 源 自 木 星，而是来自过路的恒星。银河系不是静止不动的，这是因为随着恒星绕银 河核心作轨道运动，因而银河系呈现缓慢的自转。太阳连同它的行星小伙伴 们每 2.5 亿
30、年绕银心运动一周，沿途它们会有许多奇遇。附近的恒星或许会掠过彗星云，把一些彗星引向太阳。当彗星穿入内太阳系时，彗星的某些易 挥发物为太阳所蒸发，而后又被太阳风吹成长流，形成壮观的彗尾。在非常 偶然的情况下，某颗彗星在内太阳系的逗留期内会与地球相撞。这颗彗星便 造成了对地球的破坏。但是，真正的罪魁祸首应是那些过路的恒星。幸运的 是，由于恒星间的距离相隔很远，这种恒星间交会是不多的。能造成全球性 严重破坏的彗星撞击事件充其量也不过几百万年发生一次。其他天体在环绕银心运转的途中也会穿越我们的轨道。当巨大的气体云 缓慢地从附近飘过时，尽管它们比实验室里的真空还要稀薄，但仍会极大地 改变太阳风或影响来自
31、太阳的热流。更可怕的也许是潜伏在黑沉沉太空深处 的那些天体。游离漂泊的行星、中子星、棕矮垦、黑洞，所有这些天体可能 会无声无息地向我们突然袭来，造成太阳系的浩劫。要是换一种情况，威胁或许更为凶险。有些天文学家认为，我们的太阳 可能与银河系里大多数恒星一样，实际上是个双星系统。太阳的这颗伴星我 们 称 之 为 复 仇 女 神 或 死 亡 之 星 ， 可 能 因 为 太 暗 又 太 远 ， 至 今 尚 未 被 发 现 。 但是，从引力效应上仍可察觉它的存在。在它绕太阳作缓慢转动的过程中， 会 周 期 性 地 影 响 那 个 遥 远 的 彗 星 云 ， 导 致 约 每 3000 万 年 一 次 的
32、彗 星 风 暴 ， 并 进而引发一系列蹂躏地球的碰撞。幸好，太空再次成为我们的保护屏。银河 系里的天体密度非常低，因而来自太阳系外的引力扰动尽管不是绝无可能， 但也毕竟极为罕见。更往远处看，天文学家可以观测到似乎正在碰撞中的两个星系所组成的 系统。银河系与另一个星系碰撞的可能性有多大呢？某些快速运动恒星的存 在 证 明 ， 银 河 系 也 许 已 经 与 附 近 一 些 小 星 系 发 生 过 碰 撞 ， 受 到 了 扰 动 。 但 是 ， 两个星系的碰撞不一定会使其中的各别恒星招致灾难。星系内部恒星分布极 其稀疏，星系可以彼此并合，却不发生恒星之间的直接碰撞。大多数人为世界的末日世界突然遭到
33、大规模破坏而惊慌失措。 不过，与缓慢地衰亡相比，暴卒产生的恐惧要更少些。有许多种情况会使地 球环境逐渐变得不宜居住。生态的缓慢退化，气候的变迁，太阳输出热量的 少许变化，所有这些假如会使人类不能生存下去的话，那么都会令生活在这 脆弱行星上的人寝食不安。然而，这些变化发生在几千年甚至百万年的时间尺度上，人类有可能运 用新技术与之搏斗。例如，只要有足够的时间采取措施去重新组织我们的活 动，一个逐渐开始的新冰川期便不会招致人类种族的大灾难。如果我们认真 地推测一下，在未来的几千年里技术得以继续飞速发展，则有理由相信，人 类或者他们的后代将能控制越来越大的物理系统，并最终能避免那怕是天文 尺度上的灾难
34、。这是否意味着人类原则上能够万劫不朽吗？这是可能的。但 是，我们将看到，永存并不那么容易实现，也许还可证明那是不可能的。宇 宙作为整体必定受物理定律的支配，因此它也有自己的生命循环：诞生，演 化，以及可能还有死亡。我们自己的命运不可避免地会与恒星的命运纠缠在 一起。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 （Hermanvon Helmholtz） 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 （
35、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
36、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
37、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 15Q 年。亥姆霍兹和其他一些学者发现了 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。如果你把宇宙看作一个整体，多数地方的熵是不断
38、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
39、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
40、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 兔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 Russell） 在 为 什 么 我 不 做 个 基 督 教 徒 一
41、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
42、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 时刻创生的。不 过 ， 因 为 这 个 简 单 的 事 实 没 有 深 入 人 心 ， 19 世 纪 的 天 文
43、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 呈 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
44、 图 22） 。 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
45、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！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
46、是很大而已。事实上，这等 价于把太阳圆面充满整个天空。这种情况相当于把地球放在离太阳表面一百 万公里的地方一样。这实在是个十分不舒适的地点！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
47、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 ，
48、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 （1ssac 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
49、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
