宇宙终结的四种可能

北京时间8月14日消息，据国外媒体报道大约60亿年后，地球很可能被蒸发，因为届时垂死的太阳将膨胀成一颗红巨星吞没地球。但地球只是太阳系里的一颗行星，太阳只是银河系里几千亿颗恒星中的一颗，整个可观测宇宙里存在几千亿个星系，那么它们的命运是什么呢？宇宙将如何终结？科学很少关注于这将如何发生，我们甚至不确定宇宙是否会到达一个确定的终点，或者就是慢慢缩小。

我们对物理学最好的理解表明宇宙模式可能存在几种可能性，这将提供某些我们将如何存活的暗示。

有关宇宙终结的第一个线索来自热力学。宇宙的热死亡并不是火焰的地狱，而是死于不同差异的热。这听上去可能并不令人害怕，但热寂比活活烧死更糟糕。这是因为几乎日常生活的一切事物都需要某种温度差异，无论是直接的还是间接的。例如，你的汽车能够跑动是因为发动机内部比外部更热。你的电脑依靠当地电厂提供的电运行，而电可能来源于加热水或者风力发电。

图为像M74这样的星系正在远离我们。然而，一旦宇宙到达热寂，任何地方的任何事物都是相同温度，这意味着将不会发生任何事情。每一颗恒星都将死亡，几乎所有物质都将腐烂，最终剩下的只是稀疏的粒子汤和辐射。即使这个汤的能量也会因宇宙膨胀而被时间冲走，留下万物温度只略微高于绝对零度。在这个“大冻结”（Big Freeze）情境里，宇宙将变得寒冷、死亡和空虚。在19世纪早期发展热力学理论之后，热寂似乎是宇宙终结的唯一可能性。但是100年后，爱因斯坦的广义相对论表明宇宙可能拥有一个更加戏剧性的命运。

图为宇宙微波背景辐射。广义相对论认为物质和能量会弯曲时空。时空和物质-能量之间的关系延伸至整个宇宙。根据爱因斯坦的观点，宇宙的事物决定了宇宙本身的最终命运。这一理论预测宇宙作为整体要么膨胀要么收缩。它的大小不会维持恒定不变。1917年爱因斯坦意识到这一点，但他不愿相信这一点以至于捏造了自己的理论。1929年，美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)发现了宇宙正在膨胀的证据。爱因斯坦改变了心意，表示他之前坚持静态宇宙是职业生涯“犯的最大的错”。如果宇宙在膨胀，那么它之前一定比现在小。这导致了宇宙大爆炸理论：宇宙最开始是极其小的，然后瞬间快速膨胀。即使是现在我们仍可以看到宇宙大爆炸的“余晖”，也就是宇宙微波背景辐射——一种来自天空各个方向的恒定无线电波流。

在宇宙大收缩里，宇宙可能自我坍塌。宇宙的命运取决于一个非常简单的问题：宇宙是否将继续膨胀？速度有多快？对于一个包含正常“东西”，例如物质和光的宇宙而言，这个问题的答案取决于这些东西有多少。更多东西意味着更多引力，它将拖拽所有一切并减慢膨胀速率。只要东西的数量不超过一个严格的界限，宇宙将继续膨胀，最终经历热寂和冻干。但如果东西数量并不多，那么宇宙的膨胀可能会减慢和停止。然后宇宙开始收缩。一个收缩的宇宙将变得越来越小，变得更热更密集，最终形成一个紧凑的地狱，有点类似颠倒的宇宙大爆炸，被称为宇宙大收缩（Big Crunch）。

在整个20世纪，天体物理学家都不确定将发生哪一种情景。大冻结还是大收缩？冰还是火？他们试图进行一项宇宙普查，补充宇宙里究竟还有多少物质。结果发现我们非常接近严格的界线点，这导致我们的命运再次悬而未决。而这一切在20世纪末发生了改变。1998年，两组相互竞争的天体物理学家小组宣布了一项令人惊讶的发现：宇宙的膨胀在加速。正常物质和能量无法做到这一点。这是一种新类型能量，名为“暗能量”的存在证据，这种能量的特性与宇宙里任何其他的都不相同。暗能量会撕裂宇宙，我们仍然不知道它究竟是什么，但宇宙里70%的能量都是暗能量，且这个数字一直在增加。

暗能量的存在意味着宇宙里物质的量可能无法决定宇宙的最终命运。相反，控制着宇宙的是暗能量，它加速了宇宙膨胀。这导致大收缩理论发生的可能性比较低。但也并不意味着大冻结一定会发生。仍然存在其它可能性。其中一个起源于亚原子粒子的世界，这可能是宇宙最奇怪的命运。它听起来就像科幻小说里的情节，从某种角度上说，它的确是。

真空可能忽然落入非常低的能量水平。在库尔特·冯内古特（Kurt Vonnegut）的经典科幻小说《猫的摇篮》里，冰-9是水冰的一种新形式，它有着不可思议的特性：它在46摄氏度的温度下凝结，而非0度。当冰-9晶体落入一杯水里，周围所有的水都会立即模仿晶体，因为它的能量比液态水更低。冰-9的新晶体也会导致周围的水在一瞬间变成这样，这种连锁反应导致玻璃杯里的水——甚至全世界的海洋——都形成固态冰-9。在现实生活里，正常的冰和水也可能发生相似情形。如果你将纯净水倒入一个非常干净玻璃杯里，并将它冷却至0度一下，水就变得超级冷却：它会在自然凝固点以下保持液态。水里并没有任何杂质，所以冰无法形成。但如果你将一颗冰晶扔进杯子里，水将快速冻结，就像冰-9一样。冰-9和超冷却的水似乎与宇宙命运并不相关，但空间本身可能发生相似情景。

即使完全空的空间也包含能量。量子力学描述了即使在完全空洞的真空里，仍存在少数能量。但这可能存在其他类型的保留有少数能量的真空。如果这是真的，那么整个宇宙就像一杯超冷却的水，它只能持续到低能量真空“泡沫”出现之前。幸运的是，目前尚未有任何我们已知的这类泡沫。不幸的是，量子力学描述了如果低能量真空是可能的，那么这样的真空泡沫可能不可避免的会出现在宇宙某处。当这发生时，就像冰-9一样，新的真空将改变周围的旧真空，泡沫将以接近光速的速度膨胀，我们将无法预测它的到来。

图中幽灵般的暗能量会摧毁一切。在泡沫里，事情可能完全不同，也不是非常不宜居。基本粒子，例如电子和夸克的特性可能完全不相同，这将改写化学规则，甚至阻止原子的形成。人类、行星甚至恒星本身可能在大改变（Big Change）中被摧毁。在1980年的一篇文章里，物理学家悉尼·科尔曼(Sidney Coleman)和弗兰克·卢西亚(Frank de Luccia)将它称为“终极生态灾难”。雪上加霜的是，在大改变后暗能量的表现形式可能将变得有所不同。它并不会驱动宇宙加速膨胀，而是拖拽宇宙不断自我坍塌，最终迎来“大收缩”。

图中大撕裂始于撕裂星系。此外，还存在第四种可能性，在这种情形里暗能量仍然居于中心位置。不过这一理论是高度揣测性的，且可能性非常低，但也不能将其完全排除。暗能量可能比我们目前预想的更加强大，它甚至可以凭借一己之力终结宇宙，而根本不需要经过什么大改变、大冻结或是大收缩。暗能量具有一种非常奇特的性质。随着宇宙膨胀，它的密度保持恒定。这意味着随着时间推移，宇宙将产生越来越多的暗能量，从而保证不断膨胀的宇宙的密度维持恒定。这种情况非常罕见，但它并未打破任何物理学定律。然而情况还可以变得更加诡异：如果暗能量的密度随着宇宙的膨胀而增加，情况将会如何？换句话说，如果宇宙里暗能量数量的增加速度超过宇宙的膨胀速度，那将会如何？这个问题是由美国新罕布什尔州达特茅斯学院的罗伯特·查得威尔(Robert Caldwell)提出的。他将其称为“幽灵暗能量”，它将导致宇宙走向一条诡异的命运之路。

图中大撕裂将撕裂行星和恒星。如果幽灵暗能量真的存在，那么黑暗终将胜利——正如电影《星球大战》中警告我们的那样。目前，暗能量的密度还非常低，远低于地球上物质的密度水平，甚至低于银河系的密度水平。但随着时间的推移，幽灵暗能量的密度将持续累积并最终撕裂宇宙。　　在2003年发表的一篇论文里，查得威尔和他的同事构建出了一个他们称之为“宇宙末日”(cosmic doomsday)的情境。一旦幽灵暗能量的密度超过某一特定物体，这个物体就将被撕裂成碎片。首先幽灵暗能量将撕裂银河系，其中恒星散落各处。随后太阳系将被撕裂，因为暗能量的拖拽力已经超过了太阳对地球和其他公转天体的引力作用。最终在短短几分钟内地球将会爆炸。然后，原子将被粉碎，几分之一秒后整个宇宙将被撕碎。查得威尔将这种情境称为“大撕裂”(Big Rip)。

查尔维尔自己也承认大撕裂理论看上去非常“怪诞离奇”——这不仅仅是因为它听起来像超级英雄漫画里的情节。幽灵暗能量理论与一些基本宇宙理论之间存在冲突，例如物质与能量的运动速度不可超越光速的假设。基于我们对宇宙膨胀的观测以及粒子物理学的实验结果，宇宙的最终命运更有可能是大冻结，很有可能在那之后还会经历大改变和一次终极的大收缩。这是非常可怕的未来——亘古持久的冰冷空旷，在真空衰变中终结，最终迎来终极塌缩一片虚无。有没有可能逃离这样的噩梦？抑或是我们命中注定的末日？

所有的终将过去。对于我们个人而言，就没有必要去担心宇宙终结。可能除了大改变之外，以上讨论的所有事都是在未来亿万年后才有可能发生的，它尚未成为一个迫在眉睫的问题。我们也不必为人类的命运担忧。如果没有发生其他变故，早在这一切发生之前，光是遗传漂变就已经足以让我们的后代变得面目全非。美国新泽西州普林斯顿高等学术研究所的物理学家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)在1979年发表的一篇经典论文中探讨过这个问题。当时，戴森认为生命体可以自我改造适应大冻结，它认为这比逃离大收缩地狱要更容易。然而时至今日，暗能量的发现让戴森对这个问题已经不那么乐观。“如果宇宙正在加速膨胀，那真是一个坏消息。”加速膨胀意味着我们将最终失去与绝大部分星系的联系，从而极大限制我们能够获取的能量。戴森表示：“从长远来看，这是一种非常糟糕的情况。”情况可能会发生变化。“我们目前仍然不确定这样的膨胀是否会持续下去，因为我们尚未理解宇宙为何会加速膨胀。对此较为积极的观点是，随着宇宙变得越来越大，加速将会减慢。如果是那样，那么未来将会明朗得多。”戴森说道。可是如果宇宙膨胀没有减速呢，或者大改变即将来临，那将会如何呢？对此，一些物理学家们给出了自己的解决方案，但听上去就像一群疯子科学家的设想：要想逃离宇宙终结的命运，我们就在实验室里创建我们自己的宇宙，然后跳进去。

图为出生后不久的宇宙快速膨胀。其中一名物理学家便是美国麻省理工学院的阿兰·古斯(Alan Guth)，他是早期宇宙研究方面的专家。古斯教授表示：“我并不是说物理学定律完全暗示这是可能的。但如果它是可能的，它可能需要远远超出我们目前能够预见的高科技。此外还需要巨大的能量来创造宇宙并对其进行操控。”　　据阿兰表示第一步将是创造出一种密度极高的物质形式——它的密度如此之高以至于几乎可以自我塌缩成为黑洞。如果能够以恰当的方式实现这一步，并迅速清空该区域周围的其他物质，那么我们或能够迫使这一空间区域发生快速膨胀。　　事实上，你已经创造了一个全新的宇宙。随着该区域空间的膨胀，边界将会收缩，创造一个弯曲空间的“气泡”，气泡“里面”要比“外面”更大。

宇宙大爆炸：宇宙的出生。最终，外界将完全收缩消失，新生宇宙让我们逃脱“旧”宇宙里我们将要面临的厄运。至于这是否真的可行我们目前还无法确定。古斯表示：“对此我们还不甚清楚。我们目前不确定这样做是否可行。”然而古斯指出宇宙终结以外我们还存在另一线希望——只有一丝而已。

其它宇宙可能会出现。古斯是最早提出早期宇宙在极短时间内快速膨胀的科学家之一，也就是所谓的“宇宙暴涨”(inflation)。许多宇宙学家现在相信暴涨理论是目前解释早期宇宙的最佳理论。而古斯所谓的创造新宇宙依赖于重现这样的暴涨。暴涨对于宇宙的命运会产生有趣的后果。该理论认为我们所处的宇宙仅仅是多重宇宙的一小部分，并且存在着一个永恒膨胀的“背景”，它不断制造出像我们宇宙这样的新的“口袋宇宙”。　　古斯表示：“如果情况的确如此，那么即便我们知道每一个单独的口袋宇宙最终将死亡，但多重宇宙作为整体会永生，在每一个新创造的口袋宇宙里会有新生命的产生。在这样的情境里，多重宇宙作为一个整体是永恒的，至少在未来是永恒的，尽管单个口袋宇宙会不断的诞生和死亡。”也许卡夫卡的那句话是对的，他说：“有很多希望，无限多的希望——但不是我们的。”

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