1856年，德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）做出了科学史上最令人感到沮丧的预言——宇宙正在消亡。这个天启般的预言依据的是热力学第二定律。该定律于19世纪早期被提出，最初用来说明热机效率，但很快人们就发现它具有更普遍的意义，即整个宇宙都适用。

简而言之，热力学第二定律指明，热量是由热向冷流动的。这是物理系统的一个常见而又明显的特性，从做饭或咖啡冷却这些日常小事中，我们可以清晰地看到这个定律的作用方式：热量从温度较高的地方流向温度较低的地方。这并不神秘。热以分子运动的形式在物质中表现出来。在气体中，分子会四处乱窜并相互碰撞，包括空气中的分子也是如此。即使在固体中，原子也在剧烈地运动着。物体的温度越高，分子的运动就越剧烈。如果两个温度不同的物体相接触，较热物体中运动比较剧烈的分子很快就会扩散到较冷物体的分子中。

因为热量流动是单向的，所以该过程在时间上是不对称的。如果放映一部记录热量由冷的地方到热的地方自发性地流动的影片，那它看上去就像河水倒流至高山、雨滴升至云层，非常荒唐可笑。因此，我们可以确定热量流动的基本方向，通常用从过去指向将来的箭头表示（见图2-1）。这个“时间箭头”表明了热力学过程的不可逆性，物理学家为此着迷了150年。

冯·亥姆霍兹、鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）和威廉·汤姆森（William Thomson，又称开尔文勋爵）的研究向人们普及了热力学中一个描述不可逆转的变化的重要物理量——熵。在简单的热冷物体相接触的情境中，熵等于熵增过程中流入物质的热量除以物质的温度。假定少量热量从热物体流入冷物体，热物体将失去一些熵，那么冷物体将获得一些熵。由于这个过程中转移的热量相同，但温度不同，因此，冷物体获得的熵将大于热物体损失的熵，整个系统的总熵值（热物体的熵加上冷物体的熵）也就增加了。由此可得出热力学第二定律的一个原则：一个系统的熵永远不可能减少，因为减少就意味着一些热量自发地从低温物体流向了高温物体，而这种现象显然是不可能发生的。

熵永远不会下降。这个定律适用于所有的封闭系统。以冰箱为例，冰箱可以将热量从低温物体（冰箱内部）传递到高温物体（冰箱外部），那么整个系统的总熵值就必须考虑冰箱运行所消耗的能量，因为热量传递过程本身会使熵增加。正因为如此，在通常情况下，冰箱运行产生的熵会超过冰箱从低温物体到高温物体因热量的传递而导致的熵减少。在自然系统中，比如那些涉及生物有机体或者晶体形成的系统，其中一部分熵通常会下降，但这个下降总是由系统另一部分的熵的增加换来的。总而言之，熵永远不会下降。

如果将整个宇宙看作一个封闭系统，在没有“外部”的基础上，我们可以根据热力学第二定律做出一个重要的预测：宇宙的总熵永远不会减少。事实上，熵会一直冷酷无情地增加。我们眼前就有一个很好的例子——太阳，它不断地向寒冷的太空深处散发热量，而热量进入宇宙，永不返回，这是一个惊人的不可逆的过程。

如果真如上文所述，便会不可避免地产生一个问题：宇宙的熵会永远增加吗？想象一下，一个热物体和一个冷物体在热力学封闭（绝热）的容器中相互接触，热能从热物体传递到冷物体，熵会增加，但最终冷物体会变暖，热物体会冷却，进而两个物体达到相同的温度。当达到这种状态时，就不会再发生热能传递现象。容器内的系统将达到均匀的温度，即包含最多熵的稳定状态，这种现象被称为热动平衡（thermodynamic equilibrium）。只要系统保持隔离，就不会有进一步的变化；但如果物体受到某种形式的干扰，比如，从容器外部引入更多的热量，那么就会产生进一步的热活动，熵将增加到更大的峰值。

这些热力学的基本原理向我们揭示了天文学和宇宙学方面的什么规律呢？在太阳和大多数其他恒星中，热量的外流虽然可以持续数十亿年，但总体而言并不是取之不尽的。正常恒星的热量是由其内部的核聚变过程产生的。正如我们将看到的，太阳终将会耗尽，除非有大事件能改变这一局面，否则太阳将持续冷却到与周围空间相同的温度。

虽然冯·亥姆霍兹对核聚变反应一无所知（在当时，太阳巨大能量的来源还是一个谜），但他认识到了一个普适规律：宇宙中的所有物理活动都将趋向于热动平衡这一最终状态，或最大熵状态，随后宇宙中不会发生任何有意义的物理活动。这种走向平衡的单向变化过程被早期的热动力学家称为宇宙的“热寂”（heat death）。个别系统可能会被外部的干扰事件重新激活，但宇宙本身按其定义没有“外部”的概念，所以没有任何东西可以阻止宇宙走向无所不包的热寂。这似乎是不可避免的事情。

宇宙的消亡是热力学第二定律作用的必然结果，这一发现对一代又一代的科学家和哲学家产生了极其消极的影响。比如，伯特兰·罗素（Bertrand Russell）怀着激动的心情在他的著作《为什么我不是基督徒》中写下了以下悲观的评论。

所有时代的劳动结晶，人类天才的所有奉献、所有灵感、所有光华，都注定会随太阳系的浩劫而消亡，象征整个人类成就的神殿也将不可避免地被掩埋在宇宙的废墟下。所有这些，即使不是完全无可争议的，也几乎是确定无疑的，所有哲学都无法否定它们的真实性。只有在这些真理的脚手架中，只有在面对绝望时不屈不挠，我们才能安全地建造起灵魂的家园。

许多作家从热力学第二定律中得出结论，认为宇宙是无意义的，人类的存在最终是无用的。在本书后面的章节中，我们将会继续探讨这种悲观的评论，讨论这是不是一种误解。

宇宙最终会走向热寂的预测不仅说明了宇宙的未来，同时也暗示了过去发生的一些重大事件。很明显，如果宇宙以有限的速度不可逆转地衰退，那么它就不可能永远存在。原因很简单：如果宇宙是无限古老的，那它应该早就死了。以有限的速度运行的东西不可能永久存在。换言之，宇宙诞生于过去的某个时刻。

值得注意的是，这一深刻的结论并没有被19世纪的科学家正确理解。20世纪20年代，关于宇宙起源于大爆炸的假设必须等待天文观测才能判定真假，但在过去的某个时刻，这个纯粹基于热动力基础的宇宙起源理论已经得到了明显的证据支持。

然而，由于没有提出显而易见的推论，19世纪的天文学家为一个奇怪的宇宙学悖论感到困惑不解，这个悖论由德国天文学家海因里希·奥尔伯斯（Heinrich Olbers）提出，被称为“奥尔伯斯悖论”（见图2-2）。该悖论提出了一个简单却意义深远的问题：为什么夜晚的天空是黑色的？

乍看之下，这个问题似乎不值一提。因为恒星离我们很远，所以夜空看起来很暗。然而，假设空间是无限的，那么恒星就有无限多，而无限多星光黯淡的恒星叠加起来会产生大量光。我们很容易计算出分布在整个空间的无限多恒星累积发出的星光。一方面，恒星的亮度跟距离的平方成反比，这就意味着在距离的2倍处，恒星的亮度减弱为1/4，在距离的3倍处，恒星的亮度减弱为1/9，以此类推。另一方面，你看得越远，看到的恒星数目就越多。事实上，简单的几何学表明，距离地球200光年处的恒星数量是距离地球100光年处的4倍，而距离地球300光年处的恒星数量是距离地球100光年处的9倍。所以恒星的数量按距离的平方增加，而亮度按距离的平方减少。这两种效应相互抵消，结果便是，在一定距离内所有恒星发出的光的总强度与距离无关。所有来自200光年以外的恒星发出的光，与来自100光年以外的恒星发出的光的总强度相同。

当我们将所有可能距离上的所有恒星发出的光相加时，就会产生一个问题：如果宇宙没有边界，那么地球接收到的总的光通量应该是无限的，夜空就不应该是黑暗的，而是无限明亮！

如果将恒星的大小考虑在内，那么情况就会得到一定程度的改善。恒星离地球越远，其外在大小就越小。如果一颗邻近的恒星位于同一条视线上，那么它就会遮住一颗较远的恒星。在一个无限的宇宙中，这种情况经常发生，考虑到这一点，先前计算的结论就需要修改。到达地球的光通量不是无限的，只是非常大而已，大致相当于太阳的圆盘充满整个天空，相当于将地球放在离太阳表面大约160万千米远的地方，这确实是一个非常不舒服的地方，因为地球会被巨大的热量迅速汽化。

一个无限宇宙等同于一个宇宙熔炉这样的结论实际上是对前面讨论过的热力学问题的重述。恒星将热量和光注入太空，其辐射会在太空中慢慢积累。假如恒星一直在燃烧，那么从表面来说，这种辐射应该有无限的强度。事实上，有一些辐射在穿越太空的过程中，会撞击到其他恒星并被重新吸收（这相当于附近的恒星遮住了较远恒星的光）。因此，如果达到平衡状态，发射率刚好与吸收率平衡，那么辐射强度将不再升高。当太空中的辐射达到恒星温度（几千开尔文）时，就会出现这种热动平衡状态。因此，宇宙应该是充满了温度达到几千开尔文的热辐射，而这个温度下的夜空应该是发光发热的，而非黑暗无光。

奥尔伯斯针对自己的悖论提出了一个解决办法。他注意到宇宙中存在大量尘埃，这些物质会吸收大部分星光，从而使天空变暗。虽然他的观点富有想象力，但从本质上来说是有缺陷的。尘埃最终会升温，并会以与吸收的辐射相同的强度发光。

另一个可能的解决办法是，放弃宇宙空间无限大的假设。假设恒星很多，但数量有限，宇宙由一个巨大的恒星群组成，并被一个无限的黑暗空间包围着，那么大部分恒星发射的光就会流向宇宙的另一个空间，然后消失。这个简单的办法也有一个致命的缺陷，事实上，牛顿在17世纪就已经发现了这一点。这个缺陷与引力的性质有关：每一颗恒星都用引力吸引着其他恒星，因此，在这种由巨大的恒星群组成的宇宙中，所有恒星都倾向于向引力中心跌落并聚集。如果宇宙有一个明确的中心和边界，它一定会自行坍缩。一个无支撑的、有限的、静态的单向体是不稳定的，很容易发生引力坍缩（gravitational collapse）。

我们会在后文继续讨论引力坍缩的问题，这里只需要注意牛顿试图回避这个问题的巧妙方法。牛顿推断，只有当宇宙有中心时，它才能坍缩到中心。如果宇宙的范围是无限的，其中均匀地分布着恒星，那么它就没有所谓的中心和边界。一颗特定的恒星将会被它的许多邻居向多个方向牵引，就像一场巨大的拔河比赛，牵引的绳索向四面八方延伸。平均开来，所有的引力会相互抵消，因此恒星并不会移动。

如果我们接受牛顿解决引力坍缩问题的方法，就又回到了无限宇宙和奥尔伯斯悖论的问题上。看来我们必须面对这种进退两难的境地。但事实证明，我们可以在两难境地之间找到一条出路。错的不是假设宇宙在空间上是无限的，而是假设宇宙在时间上是无限的。永远存在的奥尔伯斯悖论源自天文学家假定宇宙是永恒不变的，即假定恒星是静止的，并以不减的强度永恒燃烧。我们现在知道，这两个假设都是错误的。首先，宇宙不是静止的，而是在不断膨胀；其次，恒星不可能永远燃烧，因为如果真是那样，它们的燃料早就耗尽了。恒星还在燃烧的事实意味着，宇宙是在过去某一特定时刻形成的。

如果宇宙的寿命是有限的，奥尔伯斯悖论就会迎刃而解。我们以一颗非常遥远的恒星为例来说明这个问题。光是以有限的速度传播（在真空中以每秒30万千米传播）的，所以我们无法看到当前的恒星，只能看到光离开它时的星象。比如，明亮的参宿四离地球大约650光年，所以我们现在看到的是650光年前的参宿四。如果宇宙是100亿年前形成的，那么我们就无法看到任何距离地球超过100亿光年的恒星。宇宙在空间上可能是无限的，但如果地球有一个有限的年龄，那么我们在任何情况下都看不到超过某个有限距离的天体。因此，来自有限年龄无限恒星的累积光通量将是有限的，而且可能极其微弱。

科学家从热力学角度也得到了同样的结论。由于宇宙的空间是无限的，因此恒星用热辐射填充宇宙空间，并达到同温状态所花费的时间将会相当长，而宇宙从诞生之初到现在，还没有足够的时间来达到热动平衡状态。

所有的证据都表明，宇宙的寿命是有限的。它在过去某个有限的时间形成，现在正处于活力满满的黄金时期，而在未来某刻会无可避免地退化至热寂状态。由此我们不得不思考后面的一系列问题：末日什么时候会降临？末日会以什么样的形式到来，是缓慢进行还是突然发生？按照科学家对“热寂说”的认识，“热寂说”在未来会不会被证明是错误的？ C2GZEi+0CdoEBTBkyK9zFK4VJrWr5akaSSh9zB9sm7bU/irwIBza4B1Bzl7KpsB9