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正所謂“惟有天道恆在”,宇宙從創生之初,物理學定律也隨之誕生,甚至宇宙有可能就是在某種物理學定律的主導下而誕生。過去138億年來,宇宙的執行一直受到物理定律的支配,這個過程在未來還會持續下去。

在伽利略、牛頓、麥克斯韋、開爾文、克勞修斯、愛因斯坦、普朗克、玻爾等一眾物理學家的努力下,人類得以越來越深入地瞭解到宇宙執行的規律。這些規律能夠為人類所用,並造福於人類。

透過牛頓物理學,我們可以精確預測太陽系的天體運動,什麼時候會發生日食,什麼時候會出現水星凌日。不僅如此,牛頓物理學還能用於火箭發射的軌道計算。

透過愛因斯坦的相對論,我們知道了引力的本質是幾何效應,宇宙中的時間不是統一流逝的。基於此相對論,可以讓人造衛星的原子鐘與地面上保持同步。未來的星際旅行,還將會基於時間膨脹、蟲洞等相對論效應。

透過量子力學,我們知道了物質的基本結構、微觀世界是以怎樣反常識的方式來執行的。以各種量子效應為基礎,電子化的科技能夠發展起來,現代科技文明得以建立。可以說,沒有量子力學,就不會有現代科技文明。

但就在人類為發現和使用物理定律而沾沾自喜之時,有一條物理定律卻讓人感到了什麼是絕望,沒想到宇宙的命運註定會是那麼黑暗。縱使我們有多大的能力,也逃不出這條物理定律的掌控,無法扭轉宇宙的命運,以致於一些科學家稱寧願不要發現它,這就是“熵增定律”。

熵增定律

關於這條宇宙“終極暗黑定律”,先要從永動機說起。曾幾何時,人們總是幻想著製造出能夠持續對外做功但不需要消耗能量的機器,這就是永動機。然而,經過成百上千年的嘗試,此類永動機從未被真正製造出來過。

隨著能量守恆定律的發現,最終宣告了此類永動機的理論不可行性。宇宙萬物都有能量,它們會轉化成各種形式,但不會無中生有,也不會憑空消失,能量總量始終維持恆定。這一定律又被稱為熱力學第一定律。

不過,對於製造永動機,有些人還是不死心。既然如此,如果從大自然中提取能量,讓機器持續不斷轉動,這樣並沒有違背能量守恆定律。但就像第一類永動機的結局那樣,這類永動機也是無法制造出來,熵增定律宣告了它們的終結。

一個機器想要不斷自發地從外界吸收熱量,就需要與外界始終保持溫差。但機器不能把吸收到的熱量全部用於做功,總有一部分會轉化為廢熱,導致機器溫度不斷升高,最終抹平了溫差,這種機器也就無法繼續運轉。

能量有多種多樣的形式,不同形式的能量所能用於做功的效力是不一樣的。於是,物理學家引入了“熵”來描述能夠用於做功的有效能量多少。有效能量越多,熵值越小,反之亦然。或者熵也可以表示粒子的有序度,越有序的系統,熵值越低,這可以用玻爾茲曼公式來描述。

在一個孤立系統中,一旦有效能量被用掉之後,儘管能量並沒有消失,但它們並不能繼續用於做功。也就是說,熵增是必然的,這個趨勢是不可逆轉的,這個規律又被稱為熱力學第二定律。

就目前來看,我們所生活的宇宙包含了一切的物質和能量,所以宇宙可以視為一個孤立的系統。既然如此,宇宙的熵將會不可逆轉地自發增加。那麼,熵能無限增加嗎?熵增到最後會是怎樣的景象?

熱寂

等到宇宙中的有用能量全部耗盡時,熵將會達到最大,並不會無限增加,這就意味著宇宙將會有一個註定的大結局—熱寂。待到那時,所有天體變成了黑洞,黑洞最終又會全部蒸發掉,宇宙達到了完全的熱平衡,任何生機都會從宇宙中消失,宇宙會變得一片死寂。

宇宙現在還算非常年輕,誕生至今還不到140億年,宇宙中仍然大量的有用能。要到整個宇宙熱平衡的那一天,最快也要在10^1000年之後。但如果在此之前,量子效應重新主宰宇宙,就有可能讓宇宙坍縮回奇點,重啟宇宙,也許我們的宇宙一直在重複這個過程。

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