宇宙必有一死

许多宇宙学家的著述流露出了对未来的焦虑。如果我们目前生活的宇宙更像是莱布尼茨宇宙，而不像玻尔兹曼宇宙，这样的状态是否只是临时的？或许从长远来看，宇宙与我们一样，都有一个死期。

空间有限的宇宙让我们摆脱了无穷玻尔兹曼宇宙中的种种悖论和悲剧，然而，这并不彻底。空间有限的闭合宇宙可能存在无穷长的时间。如果它从未收缩过，它便会无限制地膨胀下去。于是，宇宙就有无限长的时间去抵达热平衡态。一旦宇宙抵达了平衡态，它便会永久地处于平衡态中，无论抵达过程耗费了多少时间。在平衡态中，空间会持续增长，其中的涨落可以创造所有不大可能存在的结构。于是，我们可以声称，在这样的场景中，所有可能发生的事物都必然发生，且会发生无穷多次。这又将我们带回了玻尔兹曼大脑悖论。如果充足理由律和全同关系的同一性得到满足，宇宙必须借助某些手段摆脱这类悖谬的宿命。这些原则限制了宇宙可能的未来归宿。

很少一部分科学著述探索了宇宙在遥远的未来将会发生什么。所有这些著述都没有事实依据，充满了想象。因为想要对遥远的未来进行推理，你需要作出一些宏大的假设。一条假设是，自然规律必须永恒不变，因为自然规律的改变将阻碍我们的预测能力。另一条假设是，尚未发现的自然现象不能改变宇宙的历史。举例来说，我们可能尚未发现一些非常微弱的力，但它们无法在大的空间尺度或远大于宇宙年龄的时间尺度上，对宇宙历史产生影响。这条假设是可能的，人们对此已经进行了深入的思考，但它阻碍了任何基于现有知识的预言。宇宙中不可能存在任何意外，可能的意外例如，宇宙泡的壁正以光速自视界之外朝我们袭来。

假设我们已经发现了所有的自然规律和自然现象，那么我们就能作出以下可靠的推论。

星系终将停止产生恒星。星系是将氢元素转化为恒星的巨大系统。但它的转化效率不是很高，一个典型的螺旋星系一年仅能产生一颗恒星。大爆炸之后140亿年，原初氢元素和氦元素依然充满了宇宙。可是氢元素数量有限，至少，它无法形成无穷多个恒星。即便所有的氢元素最终转换为了恒星，我们总会见证最后一颗恒星的产生，恒星的数目存在上限；推动恒星形成的非平衡过程很可能在很久之前就开始趋向消失。

最后的恒星终将燃尽。恒星拥有有限的寿命，大质量恒星能存活几百万年，最后以超新星的形式绚丽死去。大多数恒星能活几十亿年，最终黯然地命归白矮星。总会有那么一天，最后的恒星也将死去。

那么，之后呢？

在最后的恒星死去之时，宇宙中充满了物质、辐射、暗物质和暗能量。宇宙的长远命运取决于我们知之最少的那个成分：暗能量。暗能量是真空的能量，它占宇宙物质能量总和的73%⁶。我们远未触及暗能量的本质，不过我们已经观测到了它对遥远星系运动的影响。特别是，暗能量可以解释宇宙加速膨胀的原因。

除此之外，我们对暗能量一无所知。暗能量可能就是简单的宇宙学常数，也可能是某种有着统一密度的奇怪能量。尽管暗能量的密度看上去大致是个常数，但我们并不知道它到底是不是常数，还是在以极为缓慢的速率发生改变，这一速率可能远远低于目前我们所能探测的下限。暗能量密度到底是常数，还是会发生改变，将对宇宙的未来产生极大影响。

让我们先看一下暗能量密度随宇宙膨胀不变的场景。如果暗能量密度是个常数，那暗能量的行为就如同爱因斯坦的宇宙学常数。它不会随着宇宙的持续扩张而降低。暗能量之外的一切事物（比如所有物质和辐射）都会在宇宙膨胀的过程中被不断稀释，这些成分的能量密度之和将逐步降低。几百亿年后，除了同宇宙学常数相关的能量密度之外，一切事物都可以被忽略。

以上场景非常简单，我们知道其中发生的许多细节。宇宙呈指数级膨胀的后果之一是，星系团之间的距离将快速增长，最终会导致一个星系团再也看不到另一个星系团。离开一个星系团的光子以光速向另一个星系团运动，可它赶不上两个星系团的分离速度。每个星系团中的观测者都拥有一个视界，他们看不到视界之外的邻居。于是，每个星系团都是一个孤立系统。视界的内边界就是某种意义上的盒子，将子系统同余下的宇宙相互隔离。所以，盒中物理学适用于每一个这样的星系团——这意味着，我们可以通过热力学对这些系统进行推理。

故事发展到了这里，一个源自量子力学的新效应开始现身。它会使视界内部充满处于热平衡态的光子气体——光子气体产生的过程类似黑洞霍金辐射。它被称作“视界辐射”（horizon radiation）。视界辐射的温度非常低，其密度亦然。但是，随着宇宙的膨胀，温度和密度会保持常数。与此同时，包括物质和宇宙背景辐射在内的一切其他事物，都会被不断稀释。在足够长的时间之后，宇宙将会充满视界辐射，宇宙也将抵达热平衡态。

平衡态将永远持续下去，没有任何办法可以避免宇宙终结于永恒的玻尔兹曼状态。平衡态的宇宙会有涨落和初态回归。当然，这样或那样的宇宙位形会非常偶然地反复重现——其中包括了玻尔兹曼大脑场景。在第16章中，我对玻尔兹曼大脑进行了描述，将其视作否认牛顿范式的终极归谬论证。按照这样的场景，貌似充满复杂性的宇宙历史，不过是宇宙在重回平衡态过程中的电光石火。

我们几乎百分百地确信，我们并非玻尔兹曼大脑。如果我们是（见第16章），我们将很可能看不到周遭这个广袤而有序的宇宙。我们不是玻尔兹曼大脑，就意味着这样的宇宙未来不是真的。充足理由律导出了全同关系的同一性，后者要求这样的场景必须不是真的。而问题在于，如何才能回避这样的场景？

要想避开永恒的死寂宇宙，最简单的方法就是假设宇宙拥有足够大的物质密度，它可以使宇宙膨胀停止，并开始坍缩。物质通过引力吸引其他物质，这种相互吸引减慢了宇宙膨胀的速度。如果宇宙中的物质足够多，它终将坍缩回奇点状态。或许，一些量子效应能在适当时机停止坍缩，让宇宙“反弹”，让坍缩中的宇宙膨胀出新的宇宙。但是，现实中宇宙似乎没有足够多的物质可以让膨胀停止，更别说对抗不断让自己加速膨胀的暗能量了。

第二种避免永恒的死寂宇宙的简单方法，便是假设宇宙学常数其实不是常数。我们有证据证明，在宇宙目前的年龄尺度上来看，暗能量密度是不变的——从各种意图和目的上来看，暗能量就是宇宙学常数。但是，我们没有证据证明，在更长的时间内，这个常数会不会发生变化。宇宙学常数的变化原因可能来自某个更深层次的定律。这个定律发挥作用的过程非常慢，我们只能在一个相当长的时间尺度上，才能感知其存在。或许，宇宙学常数的变化，仅仅是一种定律演化所带来的效应。事实上，单向作用的不存在性认为，既然宇宙学常数能够明显地影响宇宙的演变，那么宇宙的演变也将改变宇宙学常数。

宇宙学常数不会衰减至零。如果宇宙学常数为零，那么宇宙膨胀就会减慢，但不太可能会反向收缩。宇宙可能是永久的，但不会是静态的；它能避开玻尔兹曼大脑悖论。

宇宙学常数为零的宇宙膨胀与否，最终取决于宇宙的初始条件。如果最终，膨胀的能量足以克服万事万物之间的引力势能，那么宇宙就永远不会坍缩。但是，即便宇宙是永恒的，它也有充足的重生机会。因为宇宙中的黑洞，可能通过量子效应消除其中的本征奇点，从而催生新宇宙的诞生。如同在第11章中提到的那样，我们有足够的理论证据，证明这一过程会必然发生。

如果事实确实如此，那么离死期尚远的我们的宇宙，早已孕育了10¹⁸个以上的后代。这些宇宙后代还将孕育各自的宇宙后代。在繁衍如此之多的后代之后，宇宙必有一死的事实似乎显得无足轻重。