诺奖得主Wilczek延迟宇宙热寂

　　撰文FrankWilczek
　　翻译胡风、梁丁当
　　中文版
　　物理定律预言宇宙最终会停止运转与变化，这样的命运能被推迟吗？
　　在今年夏天某个酷热的上午，当我正在游泳时，我的思绪突然飘到了另一个关于气候变化的问题上：宇宙的热死亡，也就是我们常说的热寂。这很可能是宇宙的终极命运。讽刺的是，比起我们这个越来越热的星球，宇宙死亡的话题反而没有那么令人焦虑。
　　在19世纪，随着科学家对热的科学理解逐渐加深，产生了宇宙热寂的假说。它的核心思想很简单：物理系统总是会趋于平衡。比如，热量总是从较热的物体自发流入较冷的相邻物体；随着热量的交换，前者被冷却，后者被加热，当二者达到相同的温度后，热量交换就会终止。
　　我们可以通过给对应的系统注入能量，从而延迟到达最终的平衡与静止的时间，但这也只是暂时的。比如，我们可以给发动机加油，给动物喂食，给电池充电。但是发动机会磨损，动物会死亡，电池也会老化而无法充电。
　　这些日常现象可以在热力学中被进一步概括和强化。在热力学中，所谓的拱顶石就是热力学第二定律。1865年，鲁道夫克劳修斯（RudolfClausius）首次给出了热力学第二定律的数学表达式。它指出：系统的无序性由熵来度量，随着时间的流逝，熵会不断增加，这也意味着系统的有序结构在逐渐消失。最终，系统会演化到一个完全无序且毫无特征的平衡态熵最大的状态。
　　根据热力学第二定律的无情逻辑，宇宙最终将演化到一个毫无变化与生机的死寂状态，即宇宙热寂。现代宇宙学进一步充实了这一说法。
　　引力作用导致物质倾向于聚集。但在早期宇宙中，物质分布极为均匀，所以引力处于远离平衡的状态。随着时间的推移，引力试图达到平衡，将稀薄的星云凝聚成恒星。恒星内部的高密度和高压会点燃核反应。核燃烧释放的热将为宇宙的运动提供能量，但这只是缓刑。几百亿年后，所有的恒星的燃料都将燃烧殆尽。
　　要想对抗宇宙热寂，我们的子孙后辈或者宇宙中的其他智慧生命，或许可以采用以下的一些方法。下面这些方法是我在游泳的时候逐步构想出来的：
　　第一，在恒星耗尽燃料之后，或许可以进一步燃烧物质。因为恒星发生核聚变时，质子和中子被重新组合，但总数保持不变。继续燃烧这些粒子可以获得数百倍的能量。还有一种无可名状的燃料是暗物质。目前还没有人知道它是什么，但宇宙中有很多这样的暗燃料。它们或许可以给我们的后辈或者其他智慧生命留下一线希望。
　　第二，在未来，工程师或许可以操控行星或者死亡星球的碰撞，这种碰撞很有可能进一步释放出大量能量。而在未来的宇宙中，应该有很多这样的材料可以使用。
　　第三，未来的文明或许只需要很有限的能量就可以维持运转。最近关于可逆计算机与量子计算机、以及时间晶体的理论研究表明，进一步发展至少是维持运动所需要的能量是没有下限的。
　　第四，由于我们并不真正地了解到底是什么机制触发了宇宙大爆炸，可以想象，或许有那么一天，我们能够设计出类似的机制，未来也将有机会重新引爆宇宙。
　　这次游泳很尽兴。我脑洞大开，想象着那些可以拯救宇宙的技术手段，备感愉悦。宇宙的终极命运固然让人绝望，但或许不那么严重。
　　从湖里出来的时候，我似乎比之前更热了，这让我颇为郁闷。而在眼下，地球上的气候问题确实已经变得非常糟糕了，尽管可能还没有发展到无可救药的地步。
　　英文版
　　Thelawsofphysicssaythatinthedistantfuture，allchangeandactivityinthecosmoswillcometoanend。Canthatfatebepostponed？
　　Oneveryhotdaythissummer，duringamorningswim，mymindwanderedtoadifferentversionofclimatechange：theheatdeathoftheuniverse。Ironically，thoughitremainsaplausibleoutcomeforcosmichistory，it’salessdistressingsubjectthanourownwarmingplanet。
　　Theideaofheatdeatharosewiththescientificunderstandingofheatitselfinthe19thcentury。Thecoreideaissimple：Physicalsystemstendtosettletowardequilibrium。Forexample，heatwilltendtoflowfromahotbodyintoanadjacentcoldbody，coolingtheformerandwarmingthelatter，untilbothreachthesameintermediatetemperature，afterwhichheatisnolongerexchanged。
　　Ultimateequilibriumandstasiscanbepostponedbytheinjectionofenergy，butonlytemporarily。Enginescanberefueled，animalsfed，batteriesrecharged；butenginesweardown，animalsdie，andbatterieslosetheirjuice。
　　Thesecommonobservationsaregeneralizedandsharpenedinthescienceofthermodynamics。ThecapstoneofthermodynamicsisitssocalledSecondLaw，firstformulatedmathematicallybyRudolfClausiusin1865，whichstatesthatentropy，ameasureofdisorder，increasesovertimedistinctivestructureerodes。Featurelessequilibriumisthestateofmaximumentropy，towardwhichtheSecondLawdrivesus。
　　TheinexorablelogicoftheSecondLawleads，inthelongrun，toablanduniversewhereinnothingchangesthatis，heatdeath。Modernphysicalcosmologyhasfleshedoutthatconclusion。Gravitywantsmattertoclump，butintheearlyuniverse，matter’sdistributionwasextremelyuniform，sogravitywaswayoutofequilibrium。Overtime，gravityhassoughttocomeintoequilibrium，notablybycondensingstarsoutofgasclouds。Thehighdensityandpressurefoundinsidestarsignitesnuclearfuel。
　　Nuclearburninginjectsheatandpowersadynamicuniverse。Butthisisatemporaryreprieve。Afterafewtensofbillionsofyears，starseverywherewillhaveexhaustedtheirfuelandwinkedout。
　　Thereareseveralwaysthatourdistantdescendants，orotherembodimentsofmindintheuniverse，mightresistheatdeath。HerearesomeideasthatoccurredtomeasIswam：
　　First，itisprobablypossibletoburnmatterfurtherthanstarsdo。Starsrearrangeprotonsandneutronsbutdonotchangetheiroverallnumber。Burningthoseparticleswouldgiveaccesstohundredsoftimesmoreenergy。Another（barely）conceivableformoffuelisdarkmatter。Atpresent，nobodyknowswhatitis，butthere’slotsofitintheuniverse。
　　Second，futureengineersalsomightbeabletoarrangecontrolledcollisionsofplanetsordeadstars，totapintotheenergythecrashesliberate。
　　Third，futuremindsthemselvesmightbeabletorunonverylimitedpower。Recenttheoreticalworkonreversibleandquantumcomputers，andontimecrystals，hasshownthatthere’snolowerlimittohowlittleenergytheyneedtokeepmakingprogress，oratleasttokeepmoving。
　　Fourth，sincewedon’treallyunderstandwhattriggeredtheBigBang，it’sconceivablethatsomedaywe’llbeabletoengineersomethingsimilar，andtherebyrejuvenatetheuniverse。
　　Itwasagoodswim。Ihadfunsavingtheuniversebyinventingspeculativetechnologicalfixesandadaptations，spicedupwithwishfulthinking。Thelongtermfutureofmindintheuniverseisdesperate，butnotserious。
　　Unfortunately，whenIemergedfromthelake，itwasevenhotterthanbefore。HereandnowonEarththesituationisdeadseriousthoughmaybenotyetutterlydesperate。
　　FrankWilczek
　　弗兰克维尔切克是麻省理工学院物理学教授、量子色动力学的奠基人之一。因发现了量子色动力学的渐近自由现象，他在2004年获得了诺贝尔物理学奖。
　　本文经授权转载自微信公众号蔻享学术，编辑：王亚琨。
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