前言

萬物有生就有滅

20世紀60年代初，當時還是學生的我就對宇宙的起源產生了濃厚的興趣。宇宙大爆炸理論始于20世紀20年代，但直到20世紀50年代才引起人們的關注。雖然該理論已經眾所周知，但還遠未令人信服。與之相對的宇宙恒穩態理論完全拋棄了宇宙起源說，在某些領域甚為流行。1965年，阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）發現了宇宙微波背景輻射，形勢逆轉，大爆炸理論開始被更多人接受。毫無疑問，宇宙微波背景輻射是宇宙從熾熱而又猛烈的大爆炸中突然誕生的確鑿證據。

至此，宇宙學家開始狂熱地研究這一發現的意義。大爆炸發生100萬年后的宇宙有多熱？大爆炸發生1年后、1秒鐘后又有多熱？最初地獄般的熾熱狀態中出現過何種物理過程？是否留有宇宙誕生之初的遺物，這些遺物是否還保留著當時的極端環境的印記？

1968年，我參加了一個有關宇宙學的講座，至今記憶猶新。在演講即將結束時，那位教授根據宇宙微波背景輻射的發現評論了大爆炸理論。“基于宇宙大爆炸后最初三分鐘發生的核反應過程，有些理論家已經列出了組成宇宙的化學成分。”他笑著對眾人說道。所有的觀眾聽后哄堂大笑。似乎，所有對宇宙誕生后最初時刻狀態的描述都過于雄心勃勃和荒謬可笑了，即使7世紀那個宣稱宇宙誕生于公元前4004年10月23日的大主教詹姆斯·烏瑟（James Ussher），也沒有膽量列出宇宙最初三分鐘所發生的事件的準確順序。

在發現宇宙微波背景輻射僅僅10年之后，宇宙誕生后的最初三分鐘的相關理論已在大學里進行講授，相關教科書也應運而生，這就是科學進步的速度。1977年，美國物理學家兼宇宙學家史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）出版了一本暢銷書——《最初三分鐘》（The First Three Minutes），該書被公認為科普讀物的里程碑。作為一位世界知名的理論物理學家，溫伯格向公眾詳細地描述了大爆炸后數秒內所發生的事件的全過程，這著實令人折服。

當公眾還沉迷于這些令人興奮的科學進展時，科學家已經繼續向前邁進了。此時，科學家研究的焦點已經從早期宇宙（大爆炸發生后的幾分鐘）轉向了極早期宇宙（大爆炸發生后的一秒鐘）。大約10年后，英國物理學家斯蒂芬·霍金在他的《時間簡史》一書中，無比自信地提出了大爆炸發生后最初一萬億億億億分之一秒內所發生的事件的最新想法。現在看來，1968年那次演講結束時觀眾發出的笑聲顯得多么無知。

隨著大爆炸理論被大眾和科學家完全接受，越來越多的人開始思考宇宙的未來。我們已經知道宇宙是如何開始的，那它將如何結束呢？宇宙最終的命運是什么？宇宙真的會以爆炸或逐漸衰敗的形式終其一生，或者永久消失嗎？那時人類的命運又將如何？人類的后代——無論是機器人還是人類自身，能逃過一劫并就此實現永生嗎？

盡管世界末日并不會馬上來臨，但對這些事情不好奇是不可能的。地球近年來備受人為危機的困擾，當我們不得不思考所在宇宙的尺度時，我們為能在地球上生存下去所做的抗爭便顯得備受矚目。《宇宙的最后三分鐘》是關于宇宙未來的故事，根據一些著名物理學家和宇宙學家的最新想法，我們在這本書中竭盡所能地對宇宙的未來進行了預測。這些預測并不是宗教式的啟示。事實上，鑒于已有的科學研究成果和豐富的經驗，宇宙的發展潛力將不可預測。但與此同時，我們也不能忽略另一個事實，萬物有生就有滅。

《宇宙的最后三分鐘》這本書是為普通讀者撰寫的，閱讀時無須事先掌握科學或者數學知識。不過，有時我需要討論非常大和非常小的數字，會用到緊湊的數學符號，這樣讀起來簡單易懂，這種符號就是“10的指數冪”。舉例來說，1 000億展開來寫就是100 000 000 000，相當麻煩。這個數字的1后面有11個零，所以我們可以用1011來表示它，用文字來描述就是“10的11次方”。同樣，100萬為106，10 000億為1012，以此類推。然而，當冪指數增加時，這種符號會掩蓋這些數字的實際增大程度。比如，1012是1010的100倍，前者是一個比后者大得多的數字，但它們看起來相差無幾。“10的負指數冪”也可以用來表示非常小的數字，比如10億分之一，即1/1000 000 000，可寫成10-9，因為這個分數的分母為1后面有9個零。

此外，我想提醒讀者，這本書具有高度的推測性。雖然大多數觀點都是基于目前最新的科學進展，但未來學不能跟其他科學研究相提并論。推測宇宙最終命運的誘惑是不可抗拒的，正是本著這種開放的調查精神，我寫了這本書。宇宙起源于大爆炸，然后膨脹并冷卻到某種物理狀態，或災難性地坍縮的基本設想，在科學上是相當成熟的。我們尚不清楚的是，在巨大的時間尺度上可能發生的主要物理過程。天文學家對普通恒星的總體命運已經有了清晰的認識，對中子星和黑洞的基本性質也有了越來越深刻的理解，但如果宇宙能持續存在數萬億年或更長時間，可能會存在一些微妙的物理作用，我們目前只能猜測其存在的可能性。這些物理作用最終會變得非常重要。

既然我們面對的問題源自對自然規律的了解不夠深入，那么推演宇宙最終命運的最好方法就是，運用我們現有的最佳理論不斷嘗試和推斷，最終得出合乎邏輯的推論。然而問題是，許多與宇宙命運有重要關系的理論仍有待驗證。我所討論的一些過程，比如引力波(1)、質子衰變和黑洞輻射，雖然理論家狂熱地相信它們的存在，但實際上還沒有被觀察到。除此之外，肯定還存在一些其他的物理過程，我們目前對此一無所知，但這些過程極有可能會大大改變我在本書中提出的推論。

當我們考慮宇宙中智慧生命可能產生的影響時，這些不確定性就會變得更大，只有進入科幻小說的領域才能更好地展開聯想。然而，我們不能忽視這樣一個事實：經過數十億年的時間，生物可能會在更大尺度上顯著地改變物理系統的運作方式。因此，我決定將宇宙中的生命納入本書的主題中，因為對許多讀者來說，對宇宙命運的著迷與他們對人類命運及其后代的關注息息相關。不過，我們應該始終記住，科學家遠未真正了解人類意識的本質，也不了解允許意識活動在宇宙遙遠的未來繼續存在下去所必需的物質條件。

感謝約翰·巴羅（John Barrow）(2)、弗蘭克·蒂普勒（Frank Tipler）、杰森·特沃姆利（Jason Twamley）、羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）和鄧肯·斯蒂爾（Duncan Steel）對本書主要內容所做的有益探討；感謝本系列叢書編輯杰里·萊昂斯（Jerry Lyons）對手稿的批判性審閱；感謝薩拉·利平科特（Sara Lippincott）對最終手稿所做的出色整理。