推遲宇宙的熱寂——《華爾街日報》

插圖：托馬斯·瓦倫塔諾貝爾獎與鄧普頓獎得主、物理學家弗蘭克·維爾切克探索宇宙奧秘。閲讀往期專欄請點擊此處。

今年夏天一個酷熱的日子，我在晨泳時思緒飄向了另一種版本的"氣候變化"：宇宙的"熱寂"。諷刺的是，儘管這仍是宇宙歷史可能走向的結局，但比起我們日益變暖的地球，這個話題反而沒那麼令人焦慮。

熱寂概念隨着19世紀熱力學科學的發展而出現。其核心理念很簡單：物理系統傾向於趨向平衡。例如熱量會從高温物體流向相鄰的低温物體，前者降温後者升温，直至兩者達到相同的中間温度，此後不再發生熱交換。

通過能量注入可以推遲最終平衡與靜態的到來，但只是暫時的。引擎可以加油，生物可以進食，電池能夠充電；但引擎會磨損，生物終將死亡，電池也會耗盡電力。

這些常見現象在熱力學科學中被概括並深化。熱力學的巔峯是其所謂的"第二定律"——魯道夫·克勞修斯於1865年首次用數學公式表述——該定律指出衡量無序度的熵值會隨時間增加，獨特結構將逐漸消解。無特徵的平衡態是熵值最大的狀態，第二定律正推動我們朝此方向前進。

第二定律那不可抗拒的邏輯，長遠來看終將導向一個平淡無奇、萬物凝滯的宇宙——即熱寂狀態。現代物理宇宙學已為這一結論提供了詳實依據。引力渴望物質聚集，但在宇宙初期物質分佈極度均勻，導致引力嚴重失衡。隨着時間推移，引力通過將氣體雲凝聚成恆星等方式不斷尋求平衡。恆星內部的高密度高壓環境點燃了核燃料。

核聚變釋放熱量，為動態宇宙提供動力。但這只是暫時的喘息。數百億年後，所有恆星都將耗盡燃料而熄滅。

我們的遙遠後裔，或宇宙中其他智慧體，可能有幾種方式對抗熱寂。以下是我游泳時想到的一些構想：

首先，可能存在比恆星更徹底的物質燃燒方式。恆星僅重組質子和中子而不改變其總量，若能燃燒這些粒子將釋放數百倍能量。另一種（勉強）可想象的燃料是"暗物質"——雖然目前人類尚不知其本質，但宇宙中儲量豐富。

其次，未來工程師或能操控行星或死亡恆星進行受控碰撞，汲取撞擊釋放的能量。

第三，未來智慧生命或許能在極低功耗下運行。近期關於可逆計算機、量子計算機和時間晶體的理論研究表明，維持運算進程（或至少保持運轉）所需的能量沒有下限。

第四，由於我們並不真正理解是什麼引發了宇宙大爆炸，可以想象有朝一日我們或許能設計出類似的過程，從而讓宇宙重獲新生。

這是場暢快的思維遨遊。我通過構想充滿美好願望的技術解決方案和適應性措施來拯救宇宙，這個過程充滿樂趣。宇宙中意識的長期未來雖然渺茫，但不必過分悲觀。

遺憾的是，當我從思維之湖上岸時，現實世界比之前更加灼熱。此時此刻在地球上的局勢嚴峻至極——儘管或許尚未到完全絕望的地步。

本文發表於2022年9月3日印刷版，原標題為《延緩宇宙熱寂》