前言

万物有生就有灭

20世纪60年代初，当时还是学生的我就对宇宙的起源产生了浓厚的兴趣。宇宙大爆炸理论始于20世纪20年代，但直到20世纪50年代才引起人们的关注。虽然该理论已经众所周知，但还远未令人信服。与之相对的宇宙恒稳态理论完全抛弃了宇宙起源说，在某些领域甚为流行。1965年，阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）发现了宇宙微波背景辐射，形势逆转，大爆炸理论开始被更多人接受。毫无疑问，宇宙微波背景辐射是宇宙从炽热而又猛烈的大爆炸中突然诞生的确凿证据。

至此，宇宙学家开始狂热地研究这一发现的意义。大爆炸发生100万年后的宇宙有多热？大爆炸发生1年后、1秒钟后又有多热？最初地狱般的炽热状态中出现过何种物理过程？是否留有宇宙诞生之初的遗物，这些遗物是否还保留着当时的极端环境的印记？

1968年，我参加了一个有关宇宙学的讲座，至今记忆犹新。在演讲即将结束时，那位教授根据宇宙微波背景辐射的发现评论了大爆炸理论。“基于宇宙大爆炸后最初三分钟发生的核反应过程，有些理论家已经列出了组成宇宙的化学成分。”他笑着对众人说道。所有的观众听后哄堂大笑。似乎，所有对宇宙诞生后最初时刻状态的描述都过于雄心勃勃和荒谬可笑了，即使7世纪那个宣称宇宙诞生于公元前4004年10月23日的大主教詹姆斯·乌瑟（James Ussher），也没有胆量列出宇宙最初三分钟所发生的事件的准确顺序。

在发现宇宙微波背景辐射仅仅10年之后，宇宙诞生后的最初三分钟的相关理论已在大学里进行讲授，相关教科书也应运而生，这就是科学进步的速度。1977年，美国物理学家兼宇宙学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）出版了一本畅销书——《最初三分钟》（The First Three Minutes），该书被公认为科普读物的里程碑。作为一位世界知名的理论物理学家，温伯格向公众详细地描述了大爆炸后数秒内所发生的事件的全过程，这着实令人折服。

当公众还沉迷于这些令人兴奋的科学进展时，科学家已经继续向前迈进了。此时，科学家研究的焦点已经从早期宇宙（大爆炸发生后的几分钟）转向了极早期宇宙（大爆炸发生后的一秒钟）。大约10年后，英国物理学家斯蒂芬·霍金在他的《时间简史》一书中，无比自信地提出了大爆炸发生后最初一万亿亿亿亿分之一秒内所发生的事件的最新想法。现在看来，1968年那次演讲结束时观众发出的笑声显得多么无知。

随着大爆炸理论被大众和科学家完全接受，越来越多的人开始思考宇宙的未来。我们已经知道宇宙是如何开始的，那它将如何结束呢？宇宙最终的命运是什么？宇宙真的会以爆炸或逐渐衰败的形式终其一生，或者永久消失吗？那时人类的命运又将如何？人类的后代——无论是机器人还是人类自身，能逃过一劫并就此实现永生吗？

尽管世界末日并不会马上来临，但对这些事情不好奇是不可能的。地球近年来备受人为危机的困扰，当我们不得不思考所在宇宙的尺度时，我们为能在地球上生存下去所做的抗争便显得备受瞩目。《宇宙的最后三分钟》是关于宇宙未来的故事，根据一些著名物理学家和宇宙学家的最新想法，我们在这本书中竭尽所能地对宇宙的未来进行了预测。这些预测并不是宗教式的启示。事实上，鉴于已有的科学研究成果和丰富的经验，宇宙的发展潜力将不可预测。但与此同时，我们也不能忽略另一个事实，万物有生就有灭。

《宇宙的最后三分钟》这本书是为普通读者撰写的，阅读时无须事先掌握科学或者数学知识。不过，有时我需要讨论非常大和非常小的数字，会用到紧凑的数学符号，这样读起来简单易懂，这种符号就是“10的指数幂”。举例来说，1 000亿展开来写就是100 000 000 000，相当麻烦。这个数字的1后面有11个零，所以我们可以用1011来表示它，用文字来描述就是“10的11次方”。同样，100万为106，10 000亿为1012，以此类推。然而，当幂指数增加时，这种符号会掩盖这些数字的实际增大程度。比如，1012是1010的100倍，前者是一个比后者大得多的数字，但它们看起来相差无几。“10的负指数幂”也可以用来表示非常小的数字，比如10亿分之一，即1/1000 000 000，可写成10-9，因为这个分数的分母为1后面有9个零。

此外，我想提醒读者，这本书具有高度的推测性。虽然大多数观点都是基于目前最新的科学进展，但未来学不能跟其他科学研究相提并论。推测宇宙最终命运的诱惑是不可抗拒的，正是本着这种开放的调查精神，我写了这本书。宇宙起源于大爆炸，然后膨胀并冷却到某种物理状态，或灾难性地坍缩的基本设想，在科学上是相当成熟的。我们尚不清楚的是，在巨大的时间尺度上可能发生的主要物理过程。天文学家对普通恒星的总体命运已经有了清晰的认识，对中子星和黑洞的基本性质也有了越来越深刻的理解，但如果宇宙能持续存在数万亿年或更长时间，可能会存在一些微妙的物理作用，我们目前只能猜测其存在的可能性。这些物理作用最终会变得非常重要。

既然我们面对的问题源自对自然规律的了解不够深入，那么推演宇宙最终命运的最好方法就是，运用我们现有的最佳理论不断尝试和推断，最终得出合乎逻辑的推论。然而问题是，许多与宇宙命运有重要关系的理论仍有待验证。我所讨论的一些过程，比如引力波(1)、质子衰变和黑洞辐射，虽然理论家狂热地相信它们的存在，但实际上还没有被观察到。除此之外，肯定还存在一些其他的物理过程，我们目前对此一无所知，但这些过程极有可能会大大改变我在本书中提出的推论。

当我们考虑宇宙中智慧生命可能产生的影响时，这些不确定性就会变得更大，只有进入科幻小说的领域才能更好地展开联想。然而，我们不能忽视这样一个事实：经过数十亿年的时间，生物可能会在更大尺度上显著地改变物理系统的运作方式。因此，我决定将宇宙中的生命纳入本书的主题中，因为对许多读者来说，对宇宙命运的着迷与他们对人类命运及其后代的关注息息相关。不过，我们应该始终记住，科学家远未真正了解人类意识的本质，也不了解允许意识活动在宇宙遥远的未来继续存在下去所必需的物质条件。

感谢约翰·巴罗（John Barrow）(2)、弗兰克·蒂普勒（Frank Tipler）、杰森·特沃姆利（Jason Twamley）、罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）和邓肯·斯蒂尔（Duncan Steel）对本书主要内容所做的有益探讨；感谢本系列丛书编辑杰里·莱昂斯（Jerry Lyons）对手稿的批判性审阅；感谢萨拉·利平科特（Sara Lippincott）对最终手稿所做的出色整理。