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宇宙緩慢的爬過一個個喈段,最終邁向死亡:《眺望時間的盡頭》選摘(1)
風傳媒     2021/04/20 05:10

一九四八年一月二十八日晚上,BBC電台播出舒伯特A小調四重奏演出,還放送了一段英格蘭民謠節目,中間則夾了一段雙邊辯論,其中一方是二十世紀知識界最具影響力的泰斗伯特蘭.羅素(Bertrand Russell),另一方則是耶穌會教士弗雷德里克.科普斯頓(Frederick Copleston)。辯論的主題呢?神存在與否。羅素就哲學和人道主義原理方面的創新著述,會讓他獲頒一九五○年諾貝爾文學獎,然而他就政治和社會方面的反傳統觀點,卻導致他遭劍橋大學開除,還喪失了紐約市立學院(City College of New York)的教席。他在辯論時提出了多項論據,質疑甚或駁斥創世者的存在。

從一條思路可以得知羅素的立場,而且這條思路和我們在這裡的探索連帶有關。「從科學證據看來,」羅素指出,「宇宙緩慢爬過一個個階段,在地球這裡產生出一種有點可憐的結果,而且它還要經歷更多可憐的階段,爬向一種全體死亡的狀況。」面對這般慘淡的前景,羅素歸結認定,「倘若這可以拿來當成目的的證據,那麼我只能說,那個目的是不能吸引我的那種。因此,我看不出有什麼理由該相信有什麼神。」相關神學思緒會縫綴交織納入後續章節。這裡我想專注討論羅素提到的「全體死亡」 科學證據的文獻。那是引自一項十九世紀的發現,而且儘管結論相當深邃,它的根源卻十分卑微。

一八○○年代中期,工業革命已經如火如荼地推展,而在滿滿矗立磨坊和工廠的各處地貌,蒸汽機成為了驅動生產的動力來源。然而,就算從人力到機械力成就重大的飛躍,蒸汽機的效能— 執行時有效的功與燃料消耗量相比—仍嫌低落。燃燒木材或煤炭所產生的熱,約有百分之九十五變成廢氣流失到環境中。這激發了少數幾位科學家深入思索支配蒸汽機的物理學原理,尋找能燃燒較少同時得出較多的做法。歷經幾十年,他們的研究逐漸產生出一種指標性結果,至今已經成為實至名歸的著名定律:熱力學第二定律。

依循(高度)口語化的說法,這項定律聲明,產生廢棄物是免不了的。而且第二定律之所以至關緊要,理由就在於儘管蒸汽機是催化劑,該定律卻是普遍適用的。第二定律描述所有物質和能量的一種固有基本特性,不論其結構或形式為何,也不論那是有生命的或者無生命的。該定律揭示(同樣是鬆散地表示)宇宙萬物都有種不可抗力的趨勢,它們會耗損,會降解,會凋萎。

看他以這類日常用語來陳述,你就能知道羅素的主張是從哪裡來的。未來似乎會承受一種延續劣化,一種堅持不懈將生產能量轉變為無用熱量的作用,或也可以這樣講,一種推動現實的電池組之穩定排放。不過對科學有了更精確的認識之後就能披露,這項總結陳述現實走向的摘要,遮蔽了一種豐富又細緻的進程,而且那是自大霹靂起就開始進行,同時會持續進行到遙遠的未來。這種進展當能協助解釋我們在宇宙時間軸上的地位,闡明美與秩序如何映襯一幅降解和衰變的背景幕自行生成,而且還提供了種種潛在的方式(儘管手法有可能很奇特),設法避開羅素設想的慘淡終局。由於接下來正是這門(牽涉到熵、資訊和能量等概念的)科學在後續大半旅程引領我們前進,因此值得我們花一點時間來更全面地理解它。

蒸汽機

我絕不會聲稱生命的意義就潛藏在喧鬧蒸汽機的蒸騰熱汗深處。不過事實證明,瞭解蒸汽機的性能,看它如何從燃燒的燃料吸收熱量,運用來驅動火車頭車輪或煤礦加壓泵的遞迴運動,確實是理解(任意類型的)能量(在任意背景狀況下)如何隨時間演變的要項。而且能量的演變方式,對於物質、心智以及宇宙中所有結構的未來,都有很深遠的影響。所以,就讓我們從生死和目的與意義的崇高領域,屈尊就教於軋軋哐噹不止的十八世紀蒸汽機。

蒸汽機的科學基礎很簡單,卻也很有創意:水蒸氣受熱膨脹並向外推。蒸汽機藉由為一個圓筒加熱來駕馭這個作用,圓筒裝滿蒸氣,接著蓋上一個密合活塞,活塞能緊貼著圓筒內壁自由上下滑動。蒸氣受熱膨脹時便強力推動活塞,接著這股向外的推力就能驅動車輪開始轉動,或者讓磨坊開始碾磨,或者令織布機開始織造。隨後當這股向外施力的能量耗盡,蒸氣隨之冷卻,活塞也滑回原本的位置,準備好等到蒸氣再次受熱,就可以再次被推動—這個週期會一再循環,直到不再有燃料燃燒來重新為蒸氣加熱為止。

歷史記載了蒸汽機在工業革命所扮演的核心角色,不過它帶出來的基礎科學相關問題,也同等重要。我們能夠像數學那般精確地透徹瞭解蒸汽機?它把熱轉換成有用活動的效能有沒有上限?蒸汽機的基本運作過程,是否有某些層面是獨立於機械設計或所使用原料的細部枝節之外,也因此對於普適的物理學法則具有特殊意義? 

法國物理學家暨軍事工程師薩迪.卡諾(Sadi Carnot)就是在苦思這些問題時創建了熱力學領域—研究熱、能量和功的科學。不過你從他的一八二四年《論火的動力》(Reflections on the Motive Power of Fire)專論的銷售情況是看不出這點的。不過,儘管很慢才迎頭趕上,在往後那個世紀期間,他的觀點就會激使科學家發展出一種不同於以往的嶄新物理學觀點。

《眺望時間的盡頭》書封。(八旗文化)

*作者布萊恩•葛林(BRIAN GREENE),哥倫比亞大學物理學暨數學教授,擔任該校理論物理學研究中心主任,並以超弦論開創性發現著稱。本文選自其著作《眺望時間的盡頭: 心靈、物質以及在演變不絕的宇宙中尋找意義》(八旗文化)