宇宙终结之热寂说

我们知道，那些所谓的世界末日往往都是一些经不起推敲的传说和故事，没有任何的科学依据。但是，如果把时间的尺度拉到足够长，那么地球也迟早是要毁灭的。别的不说，单说太阳就不能一直像现在这样燃烧下去。科学家们已经发现，太阳在几十亿年以后就会变成一颗红巨星，很可能到那时候太阳的烈焰就会吞噬地球，地球上的所有水分都会被蒸发殆尽，当然也就不可能允许生命的存在。太阳最终也会因为燃料耗尽而慢慢熄灭，太阳系将回归黑暗。从这个意义上来说，世界末日迟早会到来。不过，那也只能称为地球或者太阳系的末日，并不是人类世界的末日，因为我们可以移民到宇宙中的其他恒星系。

看一看

不过，如果我们把时间的尺度继续拉长，宇宙的最终命运又会是怎样呢？宇宙是否有末日呢？关于这个问题，依然是一个宇宙未解之谜。

但是，科学家们可以根据已知的物理定律，作出一些基于科学的猜想。你知道科学猜想和胡思乱想有什么区别吗？科学猜想是基于现有的实验或者观测，利用合理的假设和已知的科学定律，一步一步推导出来的结论。胡思乱想就刚好相反，不需要任何理由，仅仅只是随便一拍脑袋就凭空冒出来的想法。但是，我并不是说胡思乱想就要不得，其实，人类离不开胡思乱想，我们每个人都有胡思乱想的自由，只要我们清楚科学猜想和胡思乱想的区别就好。

这两节内容，就来跟你说说关于宇宙末日的几种科学猜想。总的来说，有两种最主要的猜想，一种叫作“热寂说”，一种叫作“大撕裂说”。我们先从最多科学家支持的热寂说开始讲起。

在物理学中，有一个非常著名的热力学第二定律，这个定律是这样说的：任何孤立系统中的熵，只能增大不能减小。那到底什么是熵呢？这个问题是一个我最常被问到，但也最常会把人搞糊涂的问题。

熵，实际上表示的是一种自然界自发的发展方向，这个方向就是从有序向无序发展，用热力学的术语来说就是从低熵值向高熵值发展。我们拿到一副新的扑克牌，牌是从小到大按顺序排列的，我们洗牌的次数越多，这副牌就会变得越来越无序，在这个系统中，熵就是在慢慢地变大。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。

听完我的这三个比喻，或许你感觉自己理解了什么是熵，但我想告诉你，用有序和无序来理解熵，依然还是一种比喻，这样的理解依然是模糊的，在遇到一些其他例子时，还是容易产生误解。

例如，假设我们有两个盒子，每个盒子中都有4块积木块，其中一个盒子中的积木块大致均匀地分布在盒子中；而另一个盒子中的积木块则是一边多一边少。

现在我问你，这两个盒子的熵值，哪个更大呢？这时候，你如果再用有序和无序去考虑问题的话，可能就会有点儿犯糊涂了，到底是盒子1更有序呢，还是盒子2更有序？或许，大多数人会认为盒子1更加有序，因为看起来更加整齐。但是，答案恰恰相反，从熵的角度看过去，盒子1的熵值更大，也就是更加无序。而盒子2的熵值更低，更加有序。这是为什么呢？

今天，我要教给你理解熵值更加准确的方法，就是考虑哪种状态的可能性更高。我们来分析一下，假如我们把这个盒子中的空间一分为二，给积木编号为1、2、3、4。那么，盒子1我们可以认为是四块积木刚好一边各2块，而盒子2则是左边有1块积木，右边有3块积木。

请你开动脑筋，想一下盒子1的这种分布方式的可能性总共有多少种，答案是6种可能性。相当于从4块积木中任意选出2块放到左边的空间。那盒子2的分布方式有多少种可能性呢？答案是4种可能性，相当于从4块积木中任意取出1块放到左边的空间。

好了，如果你理解了，那么请你记住，熵值不断增大的真正含义是自然界会自发地朝着分布可能性更高的方向发展。你可能到现在还没有想明白，那么我们来做一个思想实验。假设现在这是一个密封的长条状的盒子，盒子有一定的深度，这样积木块可以在里面自由地运动，不会堵塞。

好了，我们把盒子拿起来，使劲地摇一摇，然后把盒子放平稳，你觉得出现盒子1的情况的可能性更大呢，还是出现盒子2的情况的可能性更大？这次应该不难理解了吧，显然，积木块大致平均分布在盒子中的可能性是更大的。

或许有些人还会想，为什么熵值会必然增加呢？在这个思想实验中，完全有可能摇出盒子2的情况嘛。的确，在这个例子中，因为盒子1的可能性比盒子2的可能性大得不是很多，所以，只要我们摇的次数足够多，总还是会观察到盒子2的情况的。但是，如果我们把积木块的数量增加到1000个，那么盒子1的可能性就要比盒子2——也就是999个积木块都集中在右边——的可能性大得多，大到一个不可思议的程度，大约是10的300次方倍。打个比方，假如你从宇宙诞生的那一刻开始，每一秒钟摇一次盒子，一直摇到今天，也远远摇不出一次盒子2的情况。

好了，有了熵增的基本概念后，我们就要回到主题了。在宇宙学家的眼中，我们的宇宙就好像是这个盒子，而宇宙中的所有物质都是由原子组成的，这些原子就好像是盒子中的积木块。那么，宇宙中所有原子也一定会自发地朝着无序发展，整个宇宙的熵最大，也就是最无序的状态是什么呢？就是宇宙中的所有原子都均匀地分布在整个宇宙空间中，到了这时候，宇宙熵就达到了最大，我们的宇宙再也不可能产生什么变化了，宇宙的末日也就到了。

因为这个末日是由热力学第二定律推导出来的，所以，就被称为宇宙的热寂说。并不是宇宙最后会热死的意思，其实到了热寂那一天，宇宙的温度也降到了最低。

不过，科学家们对于热寂的整个过程到底会是怎样、会在多久之后发生，却没有一致的答案，甚至产生了比较大的分歧。关键的问题在于质子到底会不会衰变。这又是一个宇宙未解之谜。

那么，质子衰变是怎么回事呢？在自然界中，有一种叫作天然放射性的现象，这种放射性是怎么产生的呢？原因就是一些原子量较大的原子突然变成了原子量较小的原子，例如常见的，用来制造原子弹的铀原子，就会突然变成铅原子，这被称作衰变，衰就是表示原子量或者能量衰减了。

不过，原子的衰变不是质子衰变。大家知道原子核是由质子和中子构成的，那么，有一些物理学家就开始思考一个问题：构成原子核的质子会不会衰变呢？

正方物理学家认为，质子会衰变，因为用质子衰变可以解释宇宙学中的一个难题，这个难题就是：为什么在我们的宇宙中物质比反物质要多得多。

但是，反方物理学家却不这么认为，他们认为质子不会衰变，理由更简单，因为我们从来没有在实验室中观察到过质子的衰变，要解释那个反物质的难题可以从其他角度去考虑，但是请不要随意假设没有实验证据的质子衰变。

正方说，实验观察不到是因为质子的平均衰变周期太长了，根据他们的计算，质子最少也需要100万亿亿亿年才有可能衰变。

这里我需要解释一下，这个时间表示的是一种衰变概率，它的意思也可以等价于，如果我们同时观察100万亿亿亿个质子，那么平均每年就会有一个质子发生衰变。

检验科学理论的正确与否，唯一的方式就是实验证据。为此，美国和日本都建造了巨大无比的实验项目，其中最出名的就是日本的超级神冈探测器，科学家们在一个盛满了5万吨纯水的大水池中除了探测中微子外，也在仔细地捕捉质子衰变的信号。

那么，实验的结果到底是什么呢？质子是否衰变与宇宙终结之谜又是什么样的关系呢？我下节给你揭晓答案。

如果大家想见识一下超级神冈探测器的壮观景象，可以到“科学有故事”的微信公众号中回复关键词“SK”来观看一段纪录片中的节选。神冈探测器真的犹如进入科幻世界，令人迷醉，不看一眼的话，太可惜了。 GF5OyvBYF8P+JZzrSRTSef+NU5t7pqR6kCQiMDhzMPDH9c8GRUNh1bEMbX47+ZE7