最後三分鐘

總 　序 激發出「半」個愛因斯坦　　高希均 序 讓生命面對宇宙的未來　　戴維思 第 一 章 世界末日 第 二 章 熱寂 第 三 章 最初三分鐘 第 四 章 恆星末路 第 五 章 墜入黑洞 第 六 章 暗淡的太空﹖ 第 七 章 宇宙遺像 第 八 章 最終的能源危機 第 九 章 大崩墜 第 十 章 別怕！我們不只一個宇宙 第十一章 永不毀滅的世界？ 附 錄 譯後記 陳芊蓉 名詞注釋 延伸閱讀

世界末日 日期︰西元二千一百二十六年八月二十一日，世界末日。 地點︰地球。 整個星球絕望的人群都企圖藏匿到某處去，但是對數十億人而言，根本是無處躲藏。有些人焦急地尋找地穴及廢棄的礦坑，以便逃到地底深處；又有一些人想要撘乘潛艇逃向深海；另一些人則繼續狂亂、肆暴或漠不關心。 絕大多數人則困惑而苦悶地呆坐著，靜待世界末日的到來。 一道巨大的光柱自高空中切開天幕。這道光柱一開始只是像鉛筆般細小的星雲狀，發射著微弱的光，後來就一天天膨漲，終於成為一股沸騰的氣體旋渦衝向虛無的太空。在氣旋軌跡的頂端，則是一片烏黑而形狀嚇人的龐然巨物，儼然像彗星微小的頭一般潛伏著強烈的破壞力。它以每小時四萬英里（也就是每秒十英里）的速度逐漸向地球這個行星逼近，所夾帶的一兆英噸重的冰塊與岩石，將以相當於聲速七倍的速率撞向地球。 人們只能等待和觀望。早在面對無法迴避的命運時，就已拋棄天文望遠鏡的科學家，只能靜靜地關掉電腦。因為那些對災難的冗長模擬仍然十分不確定，而所得到的結論也實在太駭人，以致不敢向大眾公告。有些科學家已為自己準備好複雜的逃生策略，他們利用自身的科技知識，期望比其他公民獲得更大的先機；但多數都堅守身為真正科學家的角色，繼續堅持到最後一刻，他們希望盡可能完整而仔細地觀測這個劇變，並且試圖將所蒐集到的資料儲存到地底深處的時間膠囊（譯注︰即於化石上留下痕跡），以便為倖存的後代子孫留下……。 撞擊的時刻逐漸逼近，全世界的人都緊張地盯著手錶，計數著最後的三分鐘！ 天空就在海平面上蹦裂開來，上千立方英里的空氣被刮向一旁，掀起的氣流所造成的衝擊波橫掃過全球，將所有的建築物都刮平，所到之處一切物體全被搗碎。天空中一團比大城巿更巨大的烈焰中，有一支火苗終於觸地，並在十五秒之後刺進地球。整個行星受到相當於上萬個地震威力的力量同時作用，竟然抖動起來；在撞擊位置旁的平坦海面，則升起一圈數英里高的水山，在地球表面呈現一個上百英里大的碗狀巨坑。熔岩像圍牆般向外翻倒，而山川景物則像棉被一般給輕緩地拋擲開去。 在坑洞內，數兆噸的岩石被氣化了。更多的岩石則飛濺而起，有些拋向太空，但絕大多數都拋到數百甚至數千英里外，形成一陣岩石雨，下在陸塊的另一端，造成地面嚴重的破壞。部分熔岩噴落海上，揚起陣陣巨大海嘯，加劇了混亂的散播。 隨後，一股龐大的塵狀殘骸潑撒向空中，整個行星上的陽光都給遮蔽掉了。昔日溫和的陽光已被數十億像流星般閃爍不定而凶惡的火焰所取代，焦灼的高熱烘烤著下面的地表，整個世界已成煉獄。 ■天體入侵者 前述的劇情是根據「神行塔圖」（Swift-Tuttle）彗星將於西元二一二六年撞上地球的預言而寫成的。假如這樣的碰撞真要發生，那必然會造成全球的毀滅，人類文明也將破壞殆盡。這顆彗星在一九九三年曾造訪過我們，早先的計算認為二一二六年發生撞擊的可能性是明確的。而校正過之後的計算則顯示，這顆彗星事實上會以兩星期的時間差與地球錯身而過。對地球公轉周期為一年而言，這兩星期雖屬毫髮之差，已足以讓我們繼續輕鬆自在地繼續呼吸。 然而，我們還是沒有完全脫離險境，遲早，「神行塔圖」彗星或是任何像它一樣的物體，總會撞上地球。據估計，大約有一萬個直徑五百公里或更大的物體，就在與地球互相交錯的軌道上運動。這些天體入侵者多半來自太陽系寒冷的外圍，部分是已被行星的重力場羈住的彗星殘骸，另一些則來自火星與木星之間的小行星帶（asteroidbelt）。運行軌道的不穩定性，使這些體積雖小、卻足以致命的物體，持續地進出太陽系，對地球及太陽系的其他行星構成永遠存在的威脅。 許多這類物體能造成比引爆全球核子武器更大的破壞。撞擊是一定會發生的，問題是何時會發生？當天體入侵者真的撞擊地球時，對人類而言就是天大的壞消息，因為它將會突兀地造成人類族群史上毫無前例可循的演化大斷層。不過對地球而言，這應該是例行公事之一︰大約每隔數百萬年，彗星或小行星就會以這樣的規模撞擊地球一次。我們相信在大約六千五百萬年前，有過一次或數次這類撞擊事件導致了恐龍的大滅絕；下一次恐怕就輪到我們了。 大部分的宗教與文化都相信末日審判。在聖經的啟示錄中，多有死亡及毀滅的生動描述︰ ……又有閃電、聲音、雷轟、大地震，自從地上有人以來，沒有這樣大這樣厲害的地震。那大城裂為三段，列國的城也都倒蹋了……。各海島都逃避了，眾山也不見了，又有大雹子從天落在人身上，每一個約重一他連得（一他連得約有九十斤）。為這雹子的災極大，人就褻瀆神。 ──新約聖經第十六章 ■太空真是太空 身為宇宙中微不足道的物體、又受制於強烈的作用力，地球上肯定會出現許多惡劣的狀況；不過這個行星已至少有三十五億年的時期是適合生命居住的。我們在地球這行星上能夠繁榮成功的祕密，就在於太空中實在存在了太多的空間。我們的太陽系是空曠的宇宙海洋中，一個活躍的微小島嶼。離太陽最近的恆星（即跟太陽同類的星體），又位在四光年之外的地方。想了解這四光年到底有多遠，必須先知道光自九千三百萬英里外的太陽傳到地球只用了八分半鐘，因此四光年便是光走了四年的距離。這距離超過二十兆英里。 太陽位處我們銀河系的代表性區域中。在這個星系之內，有大約十萬顆恆星，這些恆星的質量是太陽質量的百分之幾到數百倍之間。這些星體，加上許多星際雲氣、塵埃，以及數目不詳的彗星、小行星、行星與黑洞，全部緩慢繞著星系的中心轉動。這麼大量的物體可能讓人覺得整個星系十分龐雜擁擠，但其實即使考慮的只是銀河系的可見區域（譯注︰以明亮的恆星作指標），直徑也有大約十萬光年這麼大的範圍。銀河系狀如一個中心鼓凸的碟子，環繞著中心，有幾股由恆星及氣體組成的旋狀臂延伸出來。我們的太陽就位在其中一個這樣的旋臂上，距離銀河系的中心大約有三萬光年那麼遠。據我們所知，銀河系並無任何特殊之處。一個極類似的仙女座星系（Andromeda），正恰如其名地倚在大約兩百萬光年之外，肉眼看來只是一團模糊。 也就是由數十億個星系，或迴旋狀、或橢圓、或不規則狀的妝點成今日的可觀測宇宙，數量雖然眾多，其間距離的尺度卻是極大。現今，科學家所用的高倍率天文望遠鏡已可以讓數十億光年外的星系成像；我們卻發現，有些星系上的光甚至需要花上比地球年齡（四十五億年）還久的時間，才能到達地球。 ■可能的地球殺手 所有這些空間顯示，宇宙間的碰撞事件是極罕見的。所以，對地球的最大威脅，恐怕還是來自我們的「後院」。通常小行星群的軌道不會離地球太近，它們大部分被限制在火星與木星之間的帶狀區域。不過由於木星的巨大質量的干擾，偶而會讓某個小行星偏離軌道，並射向太陽，因此便威脅到地球。 彗星則構成另一項威脅。我們相信彗星這種壯觀的物體，是源自一團距離太陽約一光年的雲狀天體。在這個狀況下，威脅是來自穿越的星球，而不是木星。由於星系並非靜止不動，而是緩慢地自轉，其間的恆星便繞著星系中心轉，就像電子繞行原子核一般。因此，當太陽以及它的小小行星隨從們大約花兩萬萬年繞轉星系一周時，其間就會有多次歷險紀錄。鄰近的恆星可能掃過彗星雲團，使它們之中的幾個奔向太陽系。當這些離群的彗星穿越太陽系內部時，太陽會使這些彗星的部分殞石物質氣化，同時，太陽風則將這些氣化物吹成一股長長的煙狀霧氣，這就是著名的彗星尾巴。當彗星在太陽系內部逗留時，幾乎不太可能撞上地球；即使彗星造成任何破壞，也得由鄰近的恆星禍首負起責任。幸而恆星之間龐大的距離，使我們絕少遇到這樣的狀況。 其他的物體在環繞星系的旅程中，也有可能穿越我們的軌道。例如龐大的星際雲氣會緩慢地飄過，雖然它們比實驗室中的真空還要稀薄，但還是可以劇烈地影響太陽風，甚至會影響由太陽散出的熱流。其他更不懷好意的物體，則可能潛伏在漆黑無垠的太空深處，像是脫軌四處浪遊的行星、中子星、黑洞等等。所有這類物體都可能出其不意地朝我們撲來，毫無預警地將太陽系搞得天翻地覆。 有些天文學家相信，威脅可能來自太陽系內部，因為太陽可能如同銀河系中許多恆星一般屬於雙星系統。而我們的雙胞恆星「復仇女神」（Nemesis），或稱「死星」（DeathStar），如果存在的話，必定是太暗且太遠，以致至今仍未被發現。不過在它緩慢繞行太陽時，仍然能以重力的形式展現威力；換句話說，她能週期性地干擾遠處的彗星，並護送它們射向地球，製造一些可怕的撞擊。生態學家確已找到大批呈週期性的證據，證明地球大約每隔三千萬年就遭到一次嚴厲的生態毀滅。 ■人類與行星共生死 再看看更大尺度的現象，天文學家已觀測到整個星系的明顯碰撞。所以我們要問︰究竟銀河系被另一個星系迎頭撞上的機率有多大？由於某些恆星的移動速率極大，銀河系可能已遭到鄰近較小星系衝撞而來的干擾。不過兩個星系的碰撞未必導致星球成員的災難，因為星系本身是如此稀薄，星際空間非常龐大，星系與星系其實可以相互合併而不致造成任何天體之間的碰撞。 大部分人被「世界末日壯麗地毀滅」這樣的前景所吸引。然而劇烈死亡比起緩慢衰變的威脅可小得多，因為地球有太多不同的途徑可逐步變成不適於居住。生態環境緩慢地日趨惡劣、全球氣候變遷、甚至是太陽熱度輸出的輕微改變，就算不立即危及我們的生命，也全都可能威脅到我們在這易碎行星上的舒適程度。不過，這樣的變化可能耗上千年甚至數百萬年的時光，所以人類也許能以尖端的科技來克服這些威脅。例如，由於有充分的時間可以重組我們的活動，已逐漸開始的新冰河期（newiceage）並不致對我們族類造成全面性的災難。 我們指望科技在未來一百萬年間會有長足的進展，如此一來，人類的後代子孫必能一步步操控更大的物理系統，而且終將到達能阻擋天文尺度大災難的地步。 人類究竟能否永遠存活下去？理論上極有可能是肯定的。不過我們將發現永恆不朽並不容易達成，甚至會被證明是不可能的。宇宙必須遵循負載它本身生命週期的物理定律︰出生、演化……，也許還包括死亡。我們人類的命運終究無法擺脫與星球的命運緊緊地糾纏在一起。

讓生命面對宇宙的未來  終究有一天， 偉大宇宙的巨大城牆， 會被敵對的作用力所擊垮。 　　　　──盧克利修斯（Lucretius,B.C.93－B.C.50）  在我還是學生時的一九六Ｏ年代，宇宙起源的問題引起了大眾廣泛的興趣。草創於一九二Ｏ年代，卻直到一九五Ｏ年代才被認真看待的「大霹靂」理論，在當時已很有名，不過它的說服力仍嫌薄弱；而持相反論調的競爭者，也就是將宇宙源起完全抹除的穩態（steady-state）宇宙理論，在某些地方還是具有最迷人的腳本。直到一九六五年，潘佳斯（Robert Penzias）及威爾森（Arno Wilson）發現了「宇宙微波背景輻射」（cosmic microwave background radiation），風水才轉移，因為這肯定是「宇宙源自一個熾熱、激烈而且暴起狀態」的明確證據。 ■科學使荒謬變嚴肅 宇宙學家於是狂熱地挖掘這項發現所隱含的意義，例如︰在大霹靂發生之後一百萬年，宇宙到底有多熱？而大霹靂之後一年，甚至只是一秒鐘後，又如何呢？在那極早期的煉獄中，到底發生了哪些物理過程？是否有任何創生的黎明時期所殘留下來的遺跡，保有當時狀態的蛛絲馬跡？ 我還清楚記得在一九六八年修過一門宇宙學的課，授課教授以宇宙微波背景輻射的發現來回顧大霹靂理論，作為課程的結束。他微笑地提到︰「有些理論物理學家認為，目前宇宙中的化學成分全是最初三分鐘（大霹靂之後三分鐘）內的核反應所產生的。」引來課堂上一陣哄堂大笑。在當時，試圖以創生之後瞬間所發生的反應，來描述目前宇宙的狀態，似乎是一種荒謬絕頂的野心。即使如十七世紀的主教尤薜爾（James Ussher）在研究過聖經年表之後，狂妄地宣稱宇宙創生於西元前四千零四年的十月二十三日，也不還致於魯莽地表列最初三分鐘內事件發生的順序。 科學文明進展的速度其實不快︰在發現「宇宙微波背景輻射」約十年之後，「最初三分鐘」才成為學生的基礎教材，也才有以之為題的教科書出現。然後在一九七七年，美國物理暨天文學家溫伯格（Steven Weinberg）出版了一本刻意取名為《最初三分鐘》的科普書，還大為暢銷。 在一般大眾被這些醉人的發展深深吸引時，科學家仍繼續向前走，並將注意力由熟知的早期宇宙（即大霹靂之後數分鐘的時期）轉移到所謂的「極早期宇宙」，也就是大霹靂之後最初一段極短暫或者說是無限小於一秒鐘內的時期。一九八八年，英國數學物理學家霍金（Stephen Hawking）在他著名的暢銷書《時間簡史》中，已能自信滿滿地描述有關最初兆兆兆分之一秒的最新觀念。 至此，一九六八年宇宙學課程結束時的笑話，似乎顯得索然無味了。 ■宇宙未來學的誘惑 當大霹靂理論完全被科學家、甚至一般大眾承認時，愈來愈多的科學家轉而將心力投注在思維宇宙的未來上。我們已經有了關於宇宙如何創始的良好概念，但是宇宙又將如何結束呢？對於宇宙這種無可避免的宿命，我們究竟能說些什麼？到底它將在巨響中結束，還是以嗚咽低鳴畫上休止符？我們真正想知道的是，宇宙是否會終止？我們又將如何自處？人類或是我們的後代子孫，無論他們是機器或血肉之軀，是否能永遠地倖存於天地間？ 要我們不對這類問題感到好奇，實在很困難，即使「末日審判」未必就在眼前。我們在行星地球上為求生存的奮鬥，除了遭到人為災難困擾外，當我們被迫思考自身存在宇宙中所具有的重要性時，居然又讓自己置身於一個可喜的新境地之中。 《最後三分鐘》這本書蒐羅的故事，就是我們竭盡所能對宇宙的未來所作的種種預測，而根據的則是近年來許多著名的物理學家及天文學家的最新見解。但是，本書要談的並不全是啟示錄式的觀念；事實上，宇宙的未來充塞了潛力空前的機會，足以讓人類的體驗充分開展，並使之變得無比豐富。不過，我們也不能忽視一項重要的事實︰人類既然能存在，也必然能終止存在！ 這本書是為一般讀者而寫的，您不需要任何科學或數學的基本知識。但是，我偶爾需要提及一些非常大或非常小的數字，因此使用十的幾次方這類精簡數學符號，是極有幫助的。例如，一千億以全數寫出是一ＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯ，看起來十分累贅，因為它在一之後有十一個Ｏ，所以我們可以將它表為10，也就是「十的十一次方」。同理，一百萬為10，而一兆為10等等。我必須提醒讀者，這個觀念對數值的增加會有所隱瞞，譬如10是10的一百倍，雖然排場看起來是一樣的。同樣的，負指數可以代表一個很小的數，像十億分之一是一除以一ＯＯＯＯＯＯＯＯＯ，可變成10，也就是十的負九次方，因為它是在分母的一之後出現了九個Ｏ。 　最後，我必須提醒讀者的是，這本書必然具有高度的推理性。儘管所要介紹的觀念都是基於我們對科學最新見解的盡可能了解，未來學卻無法和其他的科學努力享有同等的地位。然而，對宇宙最終命運的探究，這誘惑實在令人難以抗拒。我於是敞開胸懷，以虛心探究的精神完成這本書。 ■納入生命課題 宇宙發展的基礎腳本是源自一個「大霹靂」的爆炸事件，之後經歷擴張、冷卻，趨向了最後的物理簡併狀態，或是災難式的縮陷......。這個程序已建立了相當完整的科學模型；真正無法確定的，倒是那些發生於無限長或無限短時間尺度時的主要物理過程。天文學家對普通恆星的命運已具有較清楚的概念，也因此對於揭開中子星以及黑洞的基本性質，也愈益有信心。但是假如宇宙持續了數兆年甚或更久，就可能存在著一些目前仍無法確知的微妙物理效應，我們只能推測它們終究會變成十分重要。 面臨對大自然還了解得不夠完整的問題時，我們僅能嘗試利用目前最好的理論，再外推符合邏輯的結論，以此演繹宇宙的最終命運。問題是許多在描述宇宙命運上別具重要意義的理論，仍然有待實驗的驗證。我討論到的諸如重力波(gravitational-wave)發射、質子衰變（proton decay）、以及黑洞照度（radiance）等，都是理論學家強烈相信、卻至今未觀測到的物理過程。而同樣嚴重的另一個問題則是，必然還有其他我們一無所知的物理過程，可能戲劇性地改變我們目前的見解。 當我們思考高等智慧生命對宇宙可能造成的影響時，這類不確定性就變得更大了。在此我們已進入科幻小說的範疇。然而，我們不能忽視長久以來，生命體已顯著改變了更大尺度的物理系統的行為。於是我決定將生命的課題包括在宇宙學中，因為許多讀者之所以對宇宙命運深深著迷，是因為他們將宇宙的未來與「對全人類乃至遙遠的後代子孫命運的關心」給緊密結合在一起了。不過，我們仍該記住，科學家至今依然不十分了解人類意識的本質；至於「允許意識活動在宇宙中持續到久遠的未來」所需要的物理條件，就更不清楚了。

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