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在极寒的宇宙末日,生命或将以不可思议的方式延续   

2015-12-05 16:01:35|  分类: 探索荟萃 |  标签: |举报 |字号 订阅

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在极寒的宇宙末日,生命或将以不可思议的方式延续

星空天文
原创
12-05 11:11
冷?习惯就好啊



1862年,开尔文男爵(威廉·汤姆森)发布了宇宙降温预告。根据热力学第二定律和宇宙有限的假设,推断出宇宙的最终阶段,会失去所有可用能量。太空将变成一个死气沉沉的坟场,只有曾经闪耀过的天体遗骸散布其中。这就是所谓的“热寂”。



开尔文男爵。维基共享资源

与热力学第二定律有关的,是一个不可逆的自然过程。尽管机械能守恒,但这个物质宇宙的热能、动能和势能都会趋向于消散、停止和耗尽。如果宇宙是有限的,并将继续遵守现有物理定律,那么它必然走向全面的静止和死寂。
这个恐怖结论的理论基础,是德国物理学家鲁道夫·克劳修斯1850年提出的热力学第二定律。



鲁道夫·克劳修斯。维基共享资源

克劳修斯曾经对热能、发动机能量的转化(做功)进行过深入研究。他发现发动机的效率极限并不取决于燃料,而与驱动这一过程的温差有关。

如果我们把一个气缸发动机浸泡在热水中,气缸内气体的快速膨胀就会推动活塞。如果我们此时把气缸内的气体隔离,使其温度保持不变,然后把气缸浸入冷水中,气缸内的气体就会收缩,活塞就会回复原位。不断重复这一过程,发动机就能进行持续的能量转换。这一过程的理想状态名为“卡诺循环”。热水和冷水的温差越大,发动机的能量转换就越多,效率也就越高。如果水的温差为零,那能量就得不到转换。

但是在一个封闭的体系内,热量会由热向冷转移,温度会趋向于平均。克劳修斯发现,在许多孤立的过程中,较高的温度差会自然而然地向较低温度差转化,而不是相反。例如把冰块丢进热茶,茶的温度会变得适中,而不会出现一杯更烫的茶,也不会出现一块更冷的冰。即便能量守恒定律允许,热力学第二定律也不允许这种情形出现。



克劳修斯后来又引入了一个量化概念——“熵”。正如路德维格·玻尔兹曼所言,它体现的是某个体系缺乏独特性的程度,也就是所谓的“无序程度”。一个半热半冷的热力学体系,要比温度一致的单一状态难以调和得多。在这样的体系内,运动较快的分子和运动较慢的分子是不同的两部分。因此它拥有较低的熵。

根据热力学第二定律,一个封闭体系的熵会趋向于不变或增加,而永远也不会降低。但这种情况只对一个孤立或封闭的体系有效。如果是一个开放的体系,外部的影响会使该体系的熵降低。比如太阳能电板产生的电流,能够驱动冰箱制造冰块,也可以驱动电炉烧水,进而使热茶-冰块体系的温差更大(进而使这个体系的熵降低)。

如果我们视宇宙为一个整体,情况又将如何?我们是否可以降低宇宙的熵?这是一个相当深刻,也相当复杂的问题。

艾萨克·阿西莫夫在他的科幻经典《最后的问题》中对此进行了思考。在他的想像中,未来的文明要面对的最大挑战,是宇宙中日益减少的可用能量。因此他们开发出了超级计算机,想要逆转随时间前进而不断增加的熵。他们想要用强大的电脑,来解答一些终极难题。

不再消耗能量的人类是否有一天可以让太阳恢复青春,即便在它年老死去之后?……宇宙的熵怎样才能被降低?……熵能够逆转吗?
但是宇宙的熵还是不可避免地越来越高,他们的处境也越来越危急。直到有一天,更高级的智慧形式带着解决方案出现。

人类文明依赖太阳。但对于能源的利用,水平还是较低的。我们通常会直接从地球,从被降解的化石中获取能量。这些能量来自太阳,它们是远古时期的植物从阳光中获取的。而太阳一旦死去,我们就将面临危机。除非我们能够前往另一颗恒星。但所有的恒星都有耗尽的那一天。永久的家园只是一个幻想。



虽然某些恒星的燃烧时间非常长,比如红矮星。但问题是红矮星的表面温度比太阳低得多,我们只能住在一颗离它非常近的行星上。这样的行星注定会被潮汐锁定,它的两个半球温差极大。

寻找新的宜居行星,也会变得越来越难。因为在遥远的未来,在暗能量的影响下,宇宙会变得越来越空旷。与此同时,可供燃烧的物质也会越来越少。

我们周边所有可以指望的恒星都会熄灭,要么变成中子星(致密恒星核),要么变成黑洞(大质量恒星塌缩后形成的引力陷阱,连同光在内的一切物质都无法逃脱)。

黑洞能够产生霍金辐射,缓慢地释放出能量,逐渐蒸发,失去质量。所以连它们也不是永生的。与此同时空间也在不断地膨胀、冷却,把宇宙变成塞满恒星尸体的大冰柜。

智慧生命能够在这样一个极寒时代生存吗?在暗能量发现前,著名物理学家弗里曼·戴森就已经对这种可能性进行过思考。

若无生命和智慧,就不能设想宇宙遥远的未来。若无生命间的接触或哲学思辨,也不能估算生命和智慧的作用。如想获知智慧生命如何基于自身,来引导宇宙间物理学的发展,就不能不考虑智慧生命存在的价值和使命。但只要一提到价值和使命,我们就触犯了二十世纪科学最大的禁忌。
在戴森的想像中,使命感会驱使智慧生命尽可能长久地维持他们的人性——或者说泛人性。如果人工智能(AI)可以实现,人类或其他智慧生命形式最终可能会把意识转移到类似电脑的人造存储设备和信息处理装置中。



由于宇宙不断变冷,我们的人工智能后裔必须采取行动。和阿西莫夫不同的是,戴森并不建议把宇宙的熵逆转。他认为可以放慢思考的速度。思考只有在必须的时候才会发生,而思考的速度也会比蜗牛还要慢。无需思考时,设备会进入休眠,以节省宝贵的能量。所以“发呆”的时间会越来越多。戴森认为,虽然思考的总量有限,但这样的智慧能够永久存在。



弗里曼·戴森。维基共享资源

在戴森的启发下,密歇根大学的两位学者弗雷德·亚当斯和格雷格·劳宁描绘出了宇宙结束期的几个不同阶段。

现在这个阶段被称为“繁星纪元”。然后是“衰退纪元”,“衰退纪元”是一个被中子星等坍缩天体主宰的纪元。

接踵而至的是“黑洞纪元”。顾名思义,这个纪元被黑洞统治。那时候的人工智能也许会依靠黑洞释放出的霍金辐射过活,虽然这种能量微不足道,温度只有千万分之一开尔文,但是此时的人工智能思考速度要比现在慢几十亿倍。

最后是“黑暗纪元”。在这个阶段,除了一片冰冷的辐射海洋和点状粒子——比如电子外,什么都没有。此时的宇宙年龄大约会在10^100岁以上。

所以如果你还在担心房租和贷款,不用着急,时间还长着呢。分期付款可以一直延续到宇宙的终结,让那些慢吞吞的人工智能来还钱吧,只要利息不同步增长就行。
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