永不下车 - 第一〇七章 膨胀

    年龄一百四十亿年的宇宙，却有四百六十亿光年的半径，这的确很奇怪。
    如果宇宙的年龄仅有一百四十亿年，按大爆炸理论的说法，宇宙又是诞生自密度无穷大的奇点，那么，今天的宇宙怎可能有四百六十亿年的半径，难道说，宇宙非但在持续膨胀，这膨胀的速度，还会快过宇宙中公认最快的物理现象——光，这可能吗。
    按一般意义的理解，物质要超过光速，就是笑谈，但宇宙膨胀的速度恰恰就是如此。
    超光速膨胀，为什么宇宙膨胀的速度可以超越每秒299792公里，方然倒有一些认识，这是因为宇宙的膨胀，并非通常意义上的天体互相远离——也就是天体自身的运动，而是这些天体所处的时空本身在扩张。
    时空的扩张，或者说，运动，显然和一切客观存在的物质不同；
    不受光速上限的约束，也不奇怪。
    从宇宙大爆炸一直到今天，一百四十亿年来，宇宙本身始终在以超越光速的速度向外扩张，这种事，哪怕物理专业的学生都不太容易摹想，而时常会发出“宇宙在哪里扩张，宇宙之外是什么”的怪异诘问。
    这些问题，教师们的解答千篇一律，方然也没空去深究。
    他只知道，所谓“宇宙之外”，
    本身就是一种毫无意义的表述。
    不管这所谓的“宇宙之外”到底想表达什么意思，那种存在，显然已超越了人类的观测和分析手段，是穷尽任何构想也绝对无法接触的，事实上根本就不存在的东西。
    某种意义上，正与“针尖上的天使”大致仿佛，不管围绕这定义如何思考，辩论，本质上都是在假想风车，然后对着空气挥动矛枪。
    总而言之，宇宙，目前呈现一种减速膨胀，持续扩张的面貌，这就够了。
    跟随理查德*费曼的思路，让方然确信，至少按目前的科学观测来看，宇宙步入“大挤压”的可能性几乎不存在。
    即便这样的表述，对一个意在永不下车的人来讲，是否足够保险，还不好说，但和莫须有的回归奇点相比，另外一种结局：热寂，出现的概率却大得多，于是他用插话的方式提醒费曼，他们正讨论的并非天文，而是热力学定律描绘的宇宙图景。
    “啊，关于‘热寂’，这是热力学定律的直接推论；
    但很遗憾，关于宇宙终将变为一片死寂，熵增加到最大、再也无法提升的设想，是片面的。”
    注意到方然的表情变化，教授略感疑惑。
    说起来，这学生为什么对宇宙、热寂这些概念如此关注，甚至还“如释重负”呢。
    格外专注的眼神，在很多物理系的学生眼中都见不到，莫非他是一个业余物理爱好者不成，最好别，那种人可真是难缠得很：
    “用热力学定律，推导出宇宙的暗淡结局，这可一点也不有趣。
    问题在于，正如我们刚刚还在讨论的，分析宇宙的演化，就不能忽略一个非常关键的事实：
    宇宙膨胀。
    热力学定律，哦，这里主要是指第二定律，本身是很简单：
    ‘在孤立系统中，热量只能从高温物体转移到低温物体，而无法自发的逆向转移’，表现在系统的熵值上，只能增大，而绝对无法自行减小；
    道理是这样没错，但，年轻人；
    你还记得物理课本上‘孤立系统’的定义吗。”
    “孤立系统……”
    和孤立系统有什么关系呢，方然随口便答，这些基础概念他很扎实：
    “定义上讲，是一类与外界不存在任何物质、或能量交换的系统，在分析热力学问题时，孤立系统无需考虑外界的影响。”
    “正是如此。
    在一百多年前，路德维希*玻尔兹曼先生在研究时，就敏锐的指出，热力学、统计物理学的研究前提，必须对系统进行精确的分类；
    热力学第二定律的所谓‘热寂’，很明显，只对孤立系统才成立，但是……”
    “但是，宇宙本身，难道不是一个孤立系统吗。”
    孤立系统，和许许多多的物理概念一样，都是凭空设想、而非真实存在的物理模型，不过方然记得，物理教师的确说过，根据人类现有的认识，可以把宇宙看成一个孤立系统，因为在不断膨胀的宇宙之外，“什么也没有”。
    宇宙以外，什么都不存在，这看似十分符合孤立系统的定义。
    中学时代的物理教育，不甚系统，进入伯克利后一直学习的物理，也偏重于实用，方然对“宇宙是孤立系统”的认识也没有更新，直到现在，藉由理查德*费曼之口，他才忽然间意识到，热力学定律并不能直接套用到所谓“孤立”的宇宙身上。
    “是的，将宇宙看做一个孤立系统，这并没有问题。
    但、年轻人，你就没考虑过，这孤立系统的行为和书本上描述的大有区别、并不适用热力学第二定律吗？
    原因很浅显，这系统，它的空间尺度可是一直在变化的，因为时空本身，就来自于宇宙大爆炸、和其后的持续膨胀啊。”
    “是……是这样吗。”
    一语中的，方然的知识储备让他理解了费曼教授的思路，皱眉思考片刻，好像还真的是这样。
    宇宙，和理想情况下的孤立系统，区别究竟在哪，在于宇宙本身就蕴含着时空的概念：持续膨胀的宇宙，虽然与未可知的外界没有任何物质、或能量的交换，本身占据的空间却越来越大，其行为，也必然与寻常的孤立系统迥异。
    一般意义上的孤立系统，定义上，着眼的是物质和能量。
    至于体积上的改变，倒不是无法研究，而是万变不离其宗，并不影响热力学的结论。
    譬如气缸，其容积可以随活塞的运动而变，进而导致整个系统的熵变化，当容积扩大时，从气缸空间的总体上考虑，熵值的上限，显然会因为空间的增大而提高。
    但这种变化，早晚会往复循环，一次次回到起点，容积持续扩张、趋势永远不变的气缸是荒谬的。
    但宇宙，却恰恰就是如此。