三趣看

第7章 走向银河（下）（第3页）

然而，我们还可以问：这结局会不会是一个新的开始？有人认为我们宇宙的终结可能是另一个新宇宙的开端；有人猜想可以在宇宙熵寂之前逃出去；也许能创造一个虚拟宇宙或者用足够的能量复制一个同样的宇宙。经过数学推算和解方程，我们似乎发现如果有一台合适的粒子加速器能在一个点上聚集巨大的能量，也许就能打开一个出口、创造一个子宇宙。

这也引发了一种非常有趣的猜想：也许所有存在智慧生命的宇宙都会创造出子宇宙，就像造救生船一样不断繁殖。这些宇宙将实现进化、适者生存：那些没有智慧生命的宇宙将绝后、没有后代；而那些温度适中、有合适恒星的宇宙会创造出子宇宙、繁殖后代。

如果找不到出口，宇宙的熵将一直增大直到最后的黑洞消失。最后一个黑洞爆炸将是宇宙中最后一次出现光明；经过难以想象的漫长时光连黑洞也蒸发了后，宇宙中将只剩下光子变成光子的海洋。随着宇宙膨胀光子也将逐渐朝着绝对零度冷却；最后的残骸化为乌有之后万物都达到相同的温度——宇宙的故事就此终结、时间失去意义、宇宙诞生以来第一次进入永恒不变的状态……熵增终于停下了脚步因为宇宙已经到了无序的尽头——什么都不会发生、就这样直到永远……万物皆奇迹、乃至黑暗与寂静……我已懂得无论境遇如何都应泰然处之。

熵增定律与庞加莱回归

试想一副新买的扑克牌，随着洗牌次数的增加，其排序的混乱程度会越来越大。然而，如果我们持续洗牌，理论上这副牌是否会回到最初的次序呢？答案是肯定的，但据计算，这需要大约2.3乘以10的72次方次洗牌才能实现。这引发了一个有趣的问题：如果宇宙永恒存在，那么经过足够长的时间后，组成宇宙的微观粒子是否会回到过去某一时刻的状态，或者从物理学的角度来看，是否存在某种形式的轮回？

宇宙中最令人绝望的莫过于熵增定律，而与之形成鲜明对比的是看似荒诞的庞加莱回归理论。1865年，德国物理学家克劳修斯首次提出了熵的概念，它通俗地理解为一个系统的混乱度。在一个封闭的孤立系统内，热量总是从高温流向低温，系统从有序走向无序，熵总是增大，且这一过程不可逆。这一定律后来被总结为热力学第二定律，即熵增定律。根据这一定律，宇宙间所有的事物都会朝着更加混乱的方向发展，无论是生命、天体还是整个宇宙，最终都会走向死亡。

为了让我们充分感受熵增定律带来的绝望感，有必要描述一下熵增导致的宇宙终极命运——热寂。大约10亿年后，我们的太阳将膨胀为一颗红巨星，体积为现在的200倍，届时地球将被无情地吞噬。100亿年后，太阳将变成一颗白矮星，继而成为黑矮星并最终死亡。宇宙中所有恒星的命运都与太阳相似，它们都会死去，夜空中的星星一颗接一颗地熄灭，宇宙散落着死去恒星的残骸，渐渐冷却，再也不会诞生新的恒星。大约10的14次方年后，随着最后一颗恒星的熄灭，天空中再也看不到星星，只剩下白矮星散发着微弱的白色光芒，其亮度不足太阳光的百万分之一，但这也是布满死星和黑洞的宇宙中唯一的亮光。随着时间的推移，未被黑洞吞噬的物质发生衰变，开始自我毁灭，曾经灿烂的宇宙只剩下光子和黑洞，不再有行星、恒星或其他可供生命停留的星体。宇宙在大部分时间里都是冰冷、黑暗且空旷的，它只给了生命极短的时间。从宇宙诞生到最后一个黑洞蒸发，生命的延续时间在其中只占一个极小的比例，几乎可以忽略不计。

科学家曾认为黑洞会永远存在，但由于霍金辐射的发现，他们最终也会死去。现在我们谈论的事情是难以想象的，时间尺度以几千万亿年为单位。在那样的时间尺度下，连黑洞也会蒸发。无数年后，最后一个黑洞爆炸，这也是宇宙最后一次出现光亮。宇宙中将只剩下光子，随着宇宙的膨胀，光子也将逐渐朝着绝对零度冷却。最后的残骸化为乌有之后，万物都达到了相同的温度，宇宙的故事就此终结。宇宙自诞生以来第一次进入永恒不变的状态，此刻时间也失去了意义，熵增也终于停下了脚步，因为宇宙已经到了无序的尽头。

然而，如此悲惨、凄凉的宇宙命运很难让人们接受。于是科学家们纷纷开始寻找熵增定律的破绽，但没有人成功。直到法国数学家庞加莱的出现，他提出了一个令人震惊的观点：在一个封闭的系统中，任何粒子经过一个漫长的时间后，必然能回到无限接近其初始的位置。这样的一个周期被称为庞加莱回归。宇宙中大约有10的80次方个原子，每个原子都在做着毫无规律的运动。既然单个粒子经过长时间的运动后能回到过去某一时刻的状态，那么理论上我们可以计算出宇宙中所有原子同时运动到过去某一时刻状态的概率，进而计算出宇宙回归到过去某一状态所需要的时间。然而，这个时间之长远超我们的想象，它的数量级过于庞大，对于宏观世界和人类而言已经失去了现实意义。但对宇宙本身而言，回归的时间长短是没有意义的，其意义在于宇宙是否会归零重现还是陷入热寂。

从另一个角度来讲，对于一个没有观察者的宇宙而言，时间本身或许就失去了意义。再长的时间也不过是一瞬间而已。2018年3月，维也纳大学的研究人员在一套多粒子量子系统中成功地证实了一种庞加莱回归现象。这引发了我们进一步的思考：如果庞加莱回归真的成立，宇宙真的能回到过去某一时刻的状态，那么这就意味着将出现一个与现在一样的你。我们不禁要问：这是轮回吗？那个你和现在的你是同一个你吗？要回答这个问题，或许就需要深入了解意识的本质——而意识至今仍是科学中最大的谜团之一。

然而，在宇宙时空内庞加莱回归并不能真正实现，因为粒子会衰变，而当时的粒子所受到的各种辐射（如引力波、中微子辐射背景、微波背景等）也无法重现。因此，时间只能向前流逝而不会倒回。

进化的地球

树叶为什么是绿色的

生物老师也会回答你，这是因为叶绿素及其参与的光合作用。然而，绿叶其实隐藏着一个有趣的“秘密”。植物之所以呈绿色，是因为它们反射了太阳光中的绿光，换言之，它们不吸收绿光。但令人费解的是，太阳光中绿光的光子却是最丰富的。那么，这最丰沛的资源为何会被亿万依赖阳光而生的光合作用者集体“抛弃”了呢？

大自然并非那么“简单”，一切都是生命数十亿年演化中留下的印痕。故事还要从那年深海热泉口中溢散出来的两个细胞开始说起。这两个细胞迅速各自繁衍，成为了生物界最远处的两大家族——真细菌和古菌。不过，在那场后来彻底改变地球面貌的“阋墙之战”前，它俩还有生存问题急需解决。自由并非免费，脱离了深海热泉口，也就意味着脱离了热泉中源源不断的能量与物质供应。物质还好说，合成生命物质所需的二氧化碳、硫化氢与甲烷等等，在洪荒地球海洋中多多少少有点存货，但火山的能量却不可能打包带走。于是，演化之手渐渐将一个更加取之不竭的能源——太阳，推到了那些古老生命之前。

在漫长的演化中，有一只细胞偶然“发明”了一种特殊的分子，视黄醛介入于这类分子中，使得古菌可以利用太阳的光能维持自己细胞内的偏碱性，从而让细胞膜内外总是维持一定的酸碱度差异，从而模仿当年深海热泉口中那种细腻的酸碱中和反应，来为细胞活动提供能量。实际上，我们今天的眼睛当中也正是靠视黄醛采用差不多的原理，将光转化成神经信号。而在那个洪荒世界，抢先拥有阳光的生命迅速扩张到了全世界。只不过，这一支拥抱光明的先驱，却和我们今天所说的植物毫无瓜葛，它们利用阳光的原理，也与我们今天所谓的光合作用大相径庭。确切来说，它们是一群古菌，并且也并非绿色。由于视黄醛会强烈吸收太阳光中最丰沛的绿色光谱，所以这些古菌也许会呈现出艳丽的紫色。

紫色地球假说构想，大约35亿到24亿年前，地球是一个被古菌渲染成的紫色世界。海洋、河川、滩涂，但凡一切生命可以立足的地方，都覆盖着一层厚实的紫色菌毯，为那个没有氧气、处处弥漫着硫化氢焦臭的地球，带来了最初的盎然生机。然而，这却并非是生命的田园牧歌。在这厚实的菌毯之下，却有着另一股势力正在悄然积蓄力量，它们属于当年露卡的另一只后代——真细菌。它们当然也想利用光能，然而，来自太阳的能量经过紫色古菌层层盘剥，流到菌毯底层的就只剩下了微不足道的毫末。这些真细菌只能从这光能的残渣中苦苦寻求生的希望。由此，它们选择了另一类叫做卟啉的小分子。这种分子几乎完全无法吸收绿光，故而很容易呈现出蓝绿色，但它们却可以极尽榨取菌毯之下残存的最后一丝丝光能。但只有能量还不够，生命还需要物质。早些生命大多也学会利用太阳能拆解出硫化氢中的氢原子，将其赋予给二氧化碳来制造有机物。尽管在当时地球上硫化氢随处可见，但对于被压迫于菌毯之下的真细菌们来说，却也是渴望难及，退一步便是灭绝。数亿年的反抗，最终淬炼出了一类神奇的细菌——蓝藻。这类细菌钻研出了一套极其复杂的光合系统，得以利用一种其他任何生物都无法利用的分子——水。它们就靠透过菌毯的极少数光子积聚能量，劈开水分子，从中夺取了合成有机物所必需的氢原子。真正的光合作用从此登上历史舞台，而一场毁天灭地的末日之战也从此拉开了序幕。

水分子在被夺取氢原子后，所留下的正是氧气。一开始这毫无问题，地球上无处不在的亚铁离子、硫化氢等等，会迅速吸收掉地表的任何氧分子。然而，在那一望无垠的紫色菌毯的覆盖下，无数蓝藻正夜以继日地从透过来的阳光的毫末中汲取能量，制造氧气。这艰难的光合作用持续了10亿年，10亿年的氧气饱和打击，终究耗尽了地球表面的一切还原力。海洋里的每一个亚铁离子都被氧化成铁锈，沉积到海底，形成了惊天地层中的“带状铁层”；空气中的几乎每一个硫化氢分子都被氧化，并随着雨水沉降地面，形成了硫酸盐沉积。在26亿年前，当游离的氧气终于出现在大气中的那一刻，一场打翻了一个旧世界的革命从此拉开了序幕。后人将这次革命称为“大氧化事件”。氧气弥漫，宛如死神过境，而死神面前无人可以例外，无论它是紫色还是绿色。氧气本身就是生命的大敌，因为氧气会无差别地氧化构成生命的物质基础——有机物。但这还只是个开始，氧气还毁灭了大气中的甲烷，而甲烷是一种比二氧化碳还要强20多倍的温室气体。刚巧在25亿年前左右，地球的火山活动又陷入了一个低谷期，于是地球气温骤然暴跌，进入了自地球诞生以来最猛烈的一次全球变冷——休伦冰河期。极寒的封冻，终究寂灭了世间的一切纷纷扰扰。末日之战，没有赢家。曾经壮观的菌毯从此深埋地下，经过数十亿年的地质变迁，演变成一种叫做“层叠石”的化石，宛如一座座墓碑，无声祭奠着那曾经属于它们的紫色王朝。只是生命总会找到出路，在这场跨越亿年的浩劫中，有那么一些细菌最终适应了有氧的环境，甚至还由此解锁了有氧呼吸的能力。它们也许是蜷缩在寒冰难以靠近的深海热泉口附近，保住了那生命仅存的爝火，熬过了3亿年的漫漫寒冬。休伦冰河期的冰川终于消融，和煦阳光再度洒在了蓝藻的绿色菌毯之上。在这个充斥氧气的新时代，再也不会有任何紫色古菌来和它们争夺光能了。只可惜，它们以卟啉为核心的光合系统，在那个绿光被垄断的世界里演化了10多亿年，早已积重难返。由此构建起的光合作用系统，从底层架构上就无法利用绿光，它们的后代最终给今天留下了一个反直觉的绿色世界。但它们对自然规律的改变却不止于此：有氧呼吸为生命带来了前所未有的强劲能源，在此基础上，复杂细胞乃至多细胞生物中得以成为可能。更重要的是，曾经的地球大气完全无力阻挡紫外线，而紫外线原本可以将水分解成氢气和氧气，而地球引力无法束缚住氢气，因此如果任由紫外线持续轰击，地球终究有一天会失去自己的所有水分。但日益浓厚的氧气，最终在地球的上空构建起了一道名为臭氧层的屏障，一举终止了这个过程。这大概也算是“杀生以护生”了。

美国旧金山湾的盐湖长久以来一直吸引着四方来客，当地的奇景之一便是那粉色的湖水，而将这湖水染得如此“少女心”的，是一类被称为“嗜盐古菌”的微生物，而它们正是那些紫色古菌的后代。这些古菌在过去漫长的演化中，偶然从真细菌那里窃取了一些抗氧化基因，从而在新时代苟活了下来。它们躲在其宿敌——细菌所难以生存的极端环境中，却还依然像它们30亿年前的祖先那样，利用视黄醛从绿光中获取运转生命的能量。它们曾经属于大海，如今却只能困于水洼，追忆着那失落世界的洪荒往事。