保衛·戴維斯是世界著名的物理學家，也是深受讀者歡迎的科普作家，現為澳大利亞阿德萊德大學物理學教授。這篇文章出自他的名作《宇宙的最後三分鐘》，是該書的第十一章（最後一章）。戴維斯根據物理學與宇宙學領域內的最新研究成果，對宇宙的未來作了一番審慎的預測；「這種預測絕非基督式的啟示。事實上，經驗的發展和累積蘊育著空前的潛能，而宇宙的未來使這種潛能充滿了希望。然而，我們決不能忽視物之有生亦必有死的事實。死亡或許正是為創生而不得不付出的代價。」
人們一直在討論各種可能性以找到擺脫宇宙末日的出路，而上一章所論述的那些奇特的想法並不是這類可能性的唯一代表。每當我作有關宇宙末日的演講時，總會有人向我問到循環模型。這種模型認為，宇宙膨脹到極大尺度，然後再收縮到大危機，但它並沒有完全湮沒，由於某種原因它出現「反彈」，並開始另一輪由膨脹和再收縮組成的循環。這個過程也許會永遠進行下去。在這種情況下，宇宙就應當沒有真正的開始或終結，不過每一次循環都會有特定的開始和結束而把它們區分開來。這種理論對一直受印度教和佛教神話影響的人特別有吸引力，在這類神話中明顯地反映出生與死、創生與滅亡構成的輪迴。
我已經簡要地描述了有關宇宙結局兩種很不相同的科學演化圖像。每一種結局都以它特有的方式使人深感寒心。宇宙在一場大危機中把自己完全湮沒掉的預言是很嚇人的，不過這種事件也許在遙遠的將來才會發生。另一方面，一個宇宙在經歷有限的輝煌活動時期後，永恆地墮入蕭瑟荒蕪狀態卻使人深感沮喪。每一種模型也許都有可能使超人類獲得無限的信息處理能力，這個事實對於我們血氣方剛的人類來說似乎可以算是一種勉強的安慰。
循環模型的進力在於它迴避了徹底湮沒這個幽靈，同時也不會出現永恆的退化和衰敗。為避免無止境重複的缺陷，重要的問題是這些循環會因某種原因而使它們互不相同。在有關這類理論的一種流行的說法認為，每次新循環就像不死鳥一樣，從燃燒中死去，然後在死去的軀殼中再生。它們從這種原始的條件出發，演變出一些新的體系和結構，並探索它們自己豐富多采的新世界，直到下一次大危機出現時再次把往事一筆勾銷。
雖然這種理論似乎看上去頗有吸引力，遺憾的是它會遇到一些難以逾越的物理學障礙。其中的一個問題是要找到一種能夠說得通的過程，使得處於某種極高密度狀態的坍縮宇宙能出現反彈，而不是在一場大危機中把自己湮沒。這必須存在某種反引力，它在坍縮的最後階段會增大而變得壓到一切從而把暴縮的動量反轉過來，並能同正在向內擠壓的巨大引力作用相抗衡。現在還不知道是否有這樣的力，而且假如這種力存在的話，它的性質也必然是十分奇特的。
也許可以重溫一下，在大爆炸的暴脹理論中，所假定的恰恰是這樣一種威力強大的斥力。但要記住，產生暴脹力的激發真空態是高度不穩定的，它會很快地衰退。雖然可以想像這種微小而又簡單的新生宇宙應該起源於這樣一種不穩定狀態，但是，要求一個從某種很複雜的宏觀條件下進行收縮的宇宙，能夠設法使之都恢復到激發真空態，則完全是另外一回事。這種情況有點像筆尖朝下平衡一支鉛筆。這支鉛筆馬上會倒下，倒下是很容易的，再要一下子把鉛筆放回筆尖朝下的位置就難得多了。
即使假定可以用某種辦法克服這類難題，循環宇宙的概念仍存在一些嚴重的困難，其中之一我已在第一章中討論過。要是有一些不可逆過程以有限的速度在向前發展，那麼對於受這種過程支配的一些系統來說，經過一段有限的時間之後，這些系統就往往會趨近它們的最終狀態。正是這條原理在19世紀引出了關於宇宙熱寂的預言。宇宙循環的引入克服不了這個困難。我們可以用一個漸漸走得慢下來的鐘來比作宇宙。這台鐘的運動最終不可避免地要停下，除非有某種外因使它重新上緊發條。但是，有什麼機制能夠再把宇宙鐘的發條上緊，而同時自己又不會受到不可逆變化的支配呢？
初看起來，宇宙的坍縮階段似乎是膨脹階段出現的那些物理過程的某種反演。正在分散開去的星系被拉回到一起，正在冷卻的背景輻射又重新變熱，而複雜的元素則再次分裂成一鍋基本粒子湯。大危機前夕宇宙的狀態同剛剛發生大爆炸後的宇宙狀態極其相似。但是，這種對稱的印象僅僅是表面的。下面這個事實會使我們得到一點啟發：當膨脹轉變成收縮時，生活於時間反演中的天文學家在好幾十億年中還是看到遙遠的星系在退行。宇宙看上去似乎仍在膨脹，儘管它已經在收縮。造成這種錯覺的原因在於有限光速帶來了表觀上的滯後現象。
宇宙學家理查德·托爾曼（Richard Tolman）在30年代已經指出，這種滯後現象是如何破壞循環宇宙的表觀對稱性的。理由很簡單。宇宙是攜帶大爆炸後遺留的大量熱輻射開始向外膨脹的。隨著時光的流逝，星光使這種輻射增強，結果在幾十億年後，充滿在宇宙空間中的累積星光所包含的能量幾乎與背景熱能一樣多。當宇宙接下來進入收縮階段時，星光產生得越來越多。這意味著宇宙在逼近大危機時，散佈在整個宇宙中的輻射能比大爆炸剛發生後的輻射能要多得多。因此，當宇宙最後壓縮到與今天相同的密度時，它將要稍微熱一些。
超額的熱能是通過愛因斯坦公式E＝mc的2次方由宇宙包含的物質提供的。在產生熱能的那些恆星的內部，諸如氫一類的輕元素被加工成一些重元素，例如鐵。一個鐵原子核通常包含56個質子和30個中子。你也許會猜想，這樣一個核因而就應有56個質子和30個中子的質量，但事實並非如此。這個合成的核比單個粒子的質量之和要輕百分之一左右。造成這部分質量「遺失」的原因在於強核力在原子核內產生的巨大的束縛能，而這部分能量所代表的質量被釋放出來提供給了星光。
所有這一切的結局是，能量從物質完全轉化為輻射，由於輻射引力與物質引力大不一樣，因而這對宇宙收縮的方式有著很重要的影響。托爾曼指出，在收縮階段，這種超額輻射使宇宙坍縮的速度更快。假如有某種方法使反彈出現的話，那宇宙也會以更快的速度膨脹。換句話說，每次大爆炸都應當比上一次更大。其結果是，宇宙在每一輪新的循環中會膨脹到更大的尺度，所以循環逐漸變得尺度更大，時間也更長。
宇宙循環的這種不可逆增長決不是不可恩議的，它只是熱力學第二定律必然結果的一個範例。輻射的累積代表嫡的增加，它以循環越來越大這種形式從引力上表現出來。但是，它確實真循環說的概念宣告破產：宇宙明顯地隨時間演化。回溯過去，那些循環階梯式地串接在一起，它們的起點既複雜又混亂，而未來的循環會無限地擴大，一直到它們變得很長很長，以至對於任意給定一個循環來說，大體上同永遠膨脹模型的熱寂演化圖像無法加以區別。
自托爾曼的工作以來，宇宙學家已找到其他一些物理過程，它們同樣會破壞每次循環中膨脹階段和收縮階段的對稱性，一個例子是黑洞的形成。在標準圖像中，宇宙開始時並沒有黑洞，但隨著時間的不斷推移，因恆星坍縮和其他一些過程，黑洞便形成了。隨著星系的演化，出現的黑洞越來越多。在坍縮的最後階段，壓縮會促使形成更多的黑洞。某些黑洞可能會合併而形成較大的黑洞。因此，接近大災變時的宇宙引力結構要比大爆炸剛發生後的情況複雜得多，因為事實上黑洞會明顯的增多。假如宇宙反彈，那麼下一輪循環開始時會比這一輪循環有更多的黑洞。
看來不可避免的結論是：任何一種循環宇宙，只要它允許把物理結構和物理系統從一輪循環傳遞給下一輪循環，那它將無法迴避熱力學第二定律的退化影響。結局仍然會是熱寂。避免這種可怕結論的一條途徑是假設反彈時的物理條件非常極端，有關前面各輪循環的任何信息都不可能傳遞給下一輪，先前所有的物體都被摧毀，全部影響統統消失。實際上，宇宙完全從零開始再次誕生。
然而，很難看出這種模型會有什麼吸引力。如果每輪循環在物理性質上與其他循環是斷開的，那麼一定要講這些循環是相互繼承的，或者說它們代表同一個宇宙以某種方式在延續，那又有什麼意義呢？這些循環實際上是一些有不同性質的分立宇宙，也許更正確的是應把它說成是平行存在而不是依次連接的宇宙。這種情況使人想起有關人可以投胎而得以再生的信仰，那裡再生的人對他的前世毫無記憶。在哪種意義上人們可以說，這個再投胎的人與另一個截然不同的人是同一個人呢？
另一種可能性是，由於某種原因違背了熱力學第二定律，結果在反彈時「時鐘再次上緊了發條」。這種第二定律失效所造成的破壞意味著什麼呢？讓我們舉一個第二定律在起作用的簡單例子：關於第二章中討論過的香水從瓶子中揮發的問題。對香水來說，命運的倒退需要大規模有組織的協調作用，使散佈在整個房間中的每個香水分子都吸回瓶子裡去。實際上，這是一部倒放的「影片」。正是熱力學第二定律使我們清楚了過去和將來之間的區別--「時間箭頭」。因此，違背第二定律相當於時間的倒流。
當然，在聽到世界末日來臨的霹靂信號時，假定時間簡單地倒退以逃避宇宙死亡多少總是一種無能的表現。當旅途變得艱難之際，只是在倒放這部偉大的宇宙影片！
儘管如此，這種觀念已引起某些宇宙學家的注意。60年代托馬斯·戈爾德（Thomas
Gold）提出，對於一個再收縮宇宙來說，收縮階段中時間也許會倒流。他指出這種倒流應包括在那段時間內所有生物的大腦功能，因而使他們對時間的主觀感覺也倒過來。所以，收縮階段的居民不會觀察到他們周圍的每件東西在「往回跑」，而應有著與我們相同的感覺，即感覺到的是向前的事件流。例如，他們會發覺宇宙在膨脹而不是收縮。在他們看來我們的宇宙正處於收縮階段，而我們的大腦則是在倒退著處理問題。
80年代，霍金也曾一度熱衷於時間反演宇宙，只是由於後來承認這是他的「最大錯誤」才予以放棄，霍金起初相信量子力學用於再收縮宇宙時隱含時間的對稱性。但是，結果證明並非如此，至少在量子力學的標準公式中並不對稱。最近，默裡·蓋爾曼（Murray Gellman）和詹姆斯·哈特爾（James Hartle）討論了對量子力學規律的某種修正，其中先簡單地強制設定了時間的對稱性，然後探討這種事態在我們的宇宙年代可能引起的可觀測結果。迄今為止答案可能是什麼還不清楚。
俄國物理學家安德烈·林德（Audrei Linde）為擺脫宇宙末日提出了一條很不一樣的途徑。他所依據的是一種經過他精心製作的暴脹宇宙理論。在第三章的討論中，對於原始暴脹宇宙的演化圖像，人們假定甚早期宇宙的量子態對應於一種特殊的激發真空，它的作用是在短時間內促成飛速膨脹。林德的想法不是這樣，他在1983年提出，早期宇宙的量子態也許以一種無序的方式逐點變化：這裡是低能態，那裡是中等激發態，某些地方則是高激發態。處於激發態的地方會出現暴脹。此外，林德對量子態變化特性的計算清楚地表明，高激發態暴脹得最快而衰退得最慢。結果是對某個具體的空間區域來說，能態激發得越高，宇宙應暴脹得越劇烈。顯然，在極短時間之後，能量碰巧為極大因而暴脹也最快的空間區域會膨脹得最大，並佔據整個空間的最大部分。林德把這種情況同達爾文進化或經濟學聯繫起來。對應於某個甚高激發態的一次成功的量子漲落，所產生的結果是那個區域的體積在瞬息之間便出現巨大的增長，儘管這意味著它外借了大量的能量。所以，那些借了許多能量、處於超級暴脹之中的區域很快便取得了統治地位。
無序暴脹的結果是，宇宙會被分割成一團微宇宙，或者說一團宇宙泡，某些泡發瘋似地暴脹，而有的則根本不出現暴脹。因為純粹是由於隨機漲落的結果而使某些區域具有十分大的激發能，在這些區域內出現的暴脹會比原始理論中所假定的暴脹要強得多。但是，這些區域正是暴脹最強烈的區域，所以要是在暴脹後宇宙中隨機選擇一點，那麼這一點很可能就落在這種高度暴脹的區域中。因此，我們自己在空間中的位置很可能便位於某個超級暴脹區內很深的地方。按林德的計算，這種「大宇宙泡」也許已經暴脹了10的8次方冪。這是一個在1的後面跟著1億個零的數！
我們自己的宏偉宇宙版圖應只是無限多個高度暴脹宇宙泡中的一個，因而在龐大無比的尺度上，宇宙看上去仍然會是極端無序的。我們這個宇宙泡的延伸距離之遠大大超出了目前可觀測宇宙的範圍，在它的內部物質和能量大致呈均勻分佈。但是，在我們的宇宙泡之外還有其他宇宙泡，以及一些仍處於暴脹過程中的區域。事實上，在林德模型中，暴脹永不停息。始終有一些空間區域正發生暴脹，那裡正在形成新的宇宙泡，哪怕另一些宇宙泡走完它們的生命循環而已死亡也沒有關係。所以，這是某種形式的永恆宇宙，它同前面一章所討論的子宇宙相類似。在這種宇宙中，生命、希望和宇宙泡永恆不息地在湧現出來。因暴脹而產生宇宙泡決無結束之日，可能也談不上有什麼起點，儘管現在對此還存在某些爭議。
其他宇宙泡的存在是不是為我們的後裔提供了某種救命之索呢？他們能不能通過不斷地遷移到另一個更年輕、因而擁有大量時間的宇宙泡去，以逃避宇宙末日，或更精確地說逃避宇宙泡的末日呢？1989年，林德在《物理通訊》雜誌上發表了一篇大膽的論文，題為「暴脹後的生命」，文中所談的正是這個問題。「這些結果意味著暴脹宇宙中的生命永遠不會消失。」他寫道，「遺憾的是，這個結論不是自然而然地意味著人們可以非常樂觀地對待人類的未來。」林德注意到，任何一個特定的區域，或宇宙泡，都會慢慢地變得不適宜人類居住。因此引出的結論是：「為了生存下去，我們在那個時候可以找到的唯一可能的策略是，應該從老區域搬到新區域去。」
令人洩氣的是，在林德的暴脹理論中，一個典型宇宙泡的尺度非常之大。根據他的計算，離我們最近的宇宙泡也許都非常非常遙遠，要是以光年為單位，這段距離必須用：後面跟上幾百萬個零來表示。這個數字太大了，想把它全部寫出來就會需要關於它自己的一整本百科全書！即使以接近光的速度，到達另一個宇宙泡也要花費差不多同樣多的年數，除非運氣特別好，即我們正好處在我們自己這個宇宙泡的邊緣。林德指出，這甚至還要假定在如此漫長的時間中，我們的領域會以某種可預見的方式不斷地膨脹下去。一旦今天左右我們的物質和輻射變得無限稀薄，現在完全不引人注意的最微不足道的物理效應最終可能會決定宇宙膨脹的方式。例如，宇宙中可能一直存在著某種極其微弱的暴脹力，它今天完全被物質的引力作用所淹沒。但是，如果人類為逃離我們的宇宙泡所需要的時間非啥非常長，它最終總會被察覺到。那種情況下，因為有著充裕的時間，宇宙應會再一次開始暴脹，不過這一次不是採取大爆炸那種瘋狂的方式，而是進行得極其緩慢，好像是大爆炸的某種軟弱無力的贗品。不過，這種無力的抽泣儘管很微弱，但卻會永遠地持續下去。雖然宇宙的增長只是以微小的速率在加速，但它在加速這個事實卻有著重要的物理效應。這個效應會在泡內生成一個視界，它有點像一個裡外顛倒的黑洞，實際效果正像一個陷階。在那種情況下，任何倖存下來的生物會變得孤立無援，深深地被埋葬在我們的宇宙泡內。這是因為，雖然他們企望盡快地到達泡的邊緣，但暴脹泡邊緣會更快地後退。因此，林德的計算向我們表明，對於人類或我們的後裔來說，他們的最終命運是如何取決於這麼微小的物理效應，而這種效應在表現出它們的宇宙學意義之前，我們實際上根本無法探測到它們。林德的宇宙學在某些方面使人聯想到陳舊的穩恆態宇宙理論，它在50年代以及60年代的早期曾一度流行，而至今它仍是用來擺脫宇宙終結的最簡單而又最吸引人的學說。在赫爾曼·邦迪（Herman Bopdi）和戈爾德的原始形式中，穩恆態學說假定宇宙在大尺度上是永遠保持不變的。因此，宇宙沒有開端，也沒有終結。隨著宇宙的膨脹，新物質不斷地創生出來以填補空隙，同時保持總體密度不變。任何一個星系的命運同我在前面幾章中所描述的情況相類似：那就是誕生、演化和死亡。但是，一些星系源源不斷地從新創生的物質中形成，而新創生物質的補充又是永無止境的。因此，宇宙的總體狀況看上去是相同的，在給定的空間範圍內有著相同數目的星系，它們由各種年齡的星系混合組成。
穩恆態宇宙的概念無需解釋宇宙最初如何從虛無中誕生，它還把在演化過程中產生的各種各樣有趣的現象同宇宙的永恆摻合到一起。事實上，除了這點以外，它保證宇宙將永葆青春，這是因為儘管各別星系會慢慢地死去，但宇宙作為一個整體永遠也不會變得老態龍鐘。由於新物質自然就提供了能源，因而我們的後裔永遠不必因為能源越來越枯竭而到處去發掘可利用的東西。一旦老的星系燃料用完了，居民們就遷往比較年輕的星系，而這個過程可以永無止境地、以同等充沛的精力、多樣性和活躍性，一直維持下去直到永遠。
但是，要使這個理論成立，還需要某些必要的物理條件。因為膨脹，每隔幾十億年宇宙的體積便要增大1倍。為了使密度保持不變，在此期間需要創生出大約10的48次方噸的新物質。這個數字看上去很大，但平均說來，這相當於每100年在機艙那麼大的空間內只出現1個原子。這種現象我們不大可能會注意到。一個比較嚴重的問題是關於這個理論中使物質得以創生的那種物理過程的性質。至少我們應該要知道，提供這份額外質量的能量來自何處，而這個能量魔瓶又怎樣會取之不竭，用之不盡。這個問題是由弗雷德·霍伊爾(Fred Hoyle)和他的同事賈揚特·納裡卡（Javant Narlikar）解決的。他們非常細緻地發展了穩恆態學說，這兩位學者提出用一種新型的場--創生場--來供應能量，前提條件是這種創生場具有負能。每個質量為N的新物質粒子的出現，其效果是貢獻給創生場一份負能量mc的2次方。
雖然創生場從技術上解決了創生這個難題，但它仍留下許多懸而未決的問題，此外，它似乎還顯得有點特別，因為對於這種神秘的場看不出任何其他的表徵。更為嚴重的是，60年代的觀測證據開始對這種穩恆態學說提出了挑戰。其中最重要的就是發現了宇宙背景熱輻射。這種均勻背景很容易用熱大爆炸的遺跡來加以解釋，但在穩恆態模型中要作出令人信服的解釋卻很難。還有，星系和射電星系的深空巡天結果明確無疑地表明，在大尺度上宇宙是在演化的。當這些證據變得確鑿無疑時，霍伊爾和他的同事便放棄了穩恆態學說，不過有的時候，還會有人把它重新提出來。
除物理學的和觀測上的問題外，穩恆態學說還遇到一些奇妙的哲學上的困難。例如，假如我們的後裔確實有無限的時間和能源任憑他們支配，他們的技術發展也就不會有明顯的限制。他們應會在宇宙中自由地傳播開來，從而控制越來越大的空間體積。因此在非常遙遠的未來，大部分宇宙基本上都已實現技術化。但我們的前提是宇宙大尺度性質應該不隨時間而變化，所以穩恆態這種假定不得不使我們得出這樣的結論：我們今天所見到的宇宙已經實現了技術化。因為宇宙中的物理條件總體上對所有的時期都是相同的，智慧生物在所有的時期必定都會出現。而且，因為這種事態永遠存在，某些人類社會應該在不同的地方已經生存了任意長的時間，而且它們將會擴展開去佔領任意大的空間體積並使之技術化，其中也包括佔領宇宙中我們所在的那部分區域。即使假定智慧生物沒有向宇宙移民的意願也無法迴避這個結論。只要有一個這樣的社會，即使它出現的時間不長，上述結論都會有效。這難題的另一種情況是，在一個無限宇宙中，即使它只有非常小的可能性，任何事件也必定會在某個時候出現，並會一次又一次無限地出現。按照這個明確結論的邏輯，穩恆態學說便預言宇宙的種種過程與宇宙居民的技術活動是同一的。事實上，我們所稱的大自然就是某種超級生物或超級生物社會的活動。這看上去好像是柏拉圖的造物主（在已設定的一些物理定律的範圍內操縱一切的一個神）的某種翻版，而且有趣的是霍伊爾在他以後提出的一些宇宙理論中，直言不諱地鼓吹這樣一類超級生物。
在任何有關宇宙末日的討論中，我們都面臨要達到什麼目的的問題。我已經婉轉地提到過一個事實，即一個走向死亡的宇宙前景使伯特蘭·羅素確信，生存最終是徒勞無益的。近年來，這種觀點得到溫伯格的共鳴，集中表現於他的著作《最初三分鐘》中那赤裸裸的結論：「看來對宇宙理解得越多，好像就越感到索然無味。」我一直主張對宇宙慢熱寂說最初的擔憂恐怕是過分了，甚至也許是錯誤的，雖然由大危機引起的突然滅絕仍然有可能發生。我已大膽地推測過那些超級生物的活動，使它們在體形和智能上能達到令人不可思議的目標以對付他們的各種遭遇。我也簡單地探索了無限思維認識的可能性，哪怕宇宙是有限的。
但是，這些可作為代用品的演化圖像能夠減輕我們的不安情緒嗎？我的一位朋友曾發表這樣的意見：他對聽到的關於天國的內容沒有多大的興趣。他覺得要是前景是永遠生活在某種極端平衡狀態之中，那是一點也沒有吸引力的。快一點結束生命，把一切的一切都徹底了結，這要比面臨著毫無趣味地永遠活下去更好些。如果永垂不朽只是限於永遠翻來覆去的老一套思維和經歷，那麼這看來確實是索然無味的。另一方面，如果永垂不朽與進步聯繫在一起，那麼我們可以憧憬那種永遠變化的新穎生活狀態，永無止境地學習或者做某種新的振奮人心的事情。但問題在於，這又為了什麼？當人類著手一項有目的計劃時，他們心中是有既定目標的。如果這個目標沒有達到，計劃就宣告失敗（雖然經驗也許未必毫無價值。）另一方面，如果目標達到，這個計劃便宣告完成，然後活動也將停止。在一項永遠完不成的計劃中能有真正的目標嗎？如果生存本身就是向一個永遠達不到的目的地的一場永無止境的旅行的話，那麼這種生存有意義嗎？
要是宇宙有一個目標，並且它達到了那個目標，那麼宇宙一定會壽終正寢，因為它的繼續存在既沒有理由也毫無意義。相反，如果宇宙會永遠存在下去，那麼不難想像，對宇宙來說根本不會有任何最終的目標。這樣，宇宙的死亡也許正是為宇宙的成功所必須付出的代價。因此我們只能希望在宇宙的最後三分鐘結束之前，它的目標也許會被我們的後裔所認識。
傅承啟 譯
趙君亮 校
（選自《宇宙的最後三分鐘》，上海科學技術出版社1996年版）
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