宇宙將如何終結？

大約60億年后，地球很可能被蒸發，因為屆時垂死的太陽將膨脹成一顆紅巨星吞沒地球。但地球只是太陽系里的一顆行星，太陽只是銀河系里幾千億顆恒星中的一顆，整個可觀測宇宙里存在幾千億個星系，那么它們的命運是什么呢？宇宙將如何終結？科學很少關注于這將如何發生，我們甚至不確定宇宙是否會到達一個確定的終點，或者就是慢慢縮小。我們對物理學最好的理解表明宇宙模式存在的幾種可能我們提供了一些如何存活的暗示。

有關宇宙終結的第一個線索來自熱力學。宇宙的熱死亡并不是如同充滿火焰的地獄，而是死于不同差異的熱。這聽上去可能并不令人害怕，但熱寂比活活燒死更糟糕。這是因為幾乎日常生活的一切事物都需要某種溫度差異，無論是直接的還是間接的。例如，你的汽車能夠跑動是因為發動機內部比外部更熱。你的電腦依靠當地電廠提供的電運行，而電可能來源于加熱水或者風力發電。

然而，一旦宇宙到達熱寂，任何地方的任何事物都是相同溫度，這意味著將不會發生任何事情。每一顆恒星都將死亡，幾乎所有物質都將腐爛，最終剩下的只是稀疏的粒子湯和輻射。即使這個湯的能量也會因宇宙膨脹而被時間沖走，留下萬物溫度只略微高于絕對零度。在這個“大凍結”（Big Freeze）情境里，宇宙將變得寒冷、死亡和空虛。在19世紀早期發展熱力學理論之后，熱寂似乎是宇宙終結的唯一可能性。但是100年后，愛因斯坦的廣義相對論表明宇宙可能擁有一個更加戲劇性的命運。

廣義相對論認為物質和能量會彎曲時空。時空和物質-能量之間的關系延伸至整個宇宙。根據愛因斯坦的觀點，宇宙的事物決定了宇宙本身的最終命運。這一理論預測宇宙作為整體要么膨脹要么收縮。它的大小不會維持恒定不變。1917年愛因斯坦意識到這一點，但他不愿相信這一點以至于創造了自己的理論。

1929年，美國天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)發現了宇宙正在膨脹的證據。愛因斯坦改變了心意，表示他之前堅持靜態宇宙是職業生涯“犯的最大的錯”。如果宇宙在膨脹，那么它之前一定比現在小。這導致了宇宙大爆炸理論：宇宙最開始是極其小的，然后瞬間快速膨脹。即使是現在我們仍可以看到宇宙大爆炸的“余暉”，也就是宇宙微波背景輻射——一種來自天空各個方向的恒定無線電波流。

宇宙的命運取決于一個非常簡單的問題：宇宙是否將繼續膨脹？速度有多快？對于一個包含正常“東西”，例如物質和光的宇宙而言，這個問題的答案取決于這些東西有多少。更多東西意味著更多引力，它將拖拽所有一切并減慢膨脹速率。

只要東西的數量不超過一個嚴格的界限，宇宙將繼續膨脹，最終經歷熱寂和凍干。但如果東西數量太多，那么宇宙的膨脹可能會減慢和停止。然后宇宙開始收縮。一個收縮的宇宙將變得越來越小，變得更熱更密集，最終形成一個緊湊的地獄，有點類似顛倒的宇宙大爆炸，被稱為宇宙大收縮（Big Crunch）。

在整個20世紀，天體物理學家都不確定將發生哪一種情景。大凍結還是大收縮？冰還是火？他們試圖進行一項宇宙普查，補充宇宙里究竟還有多少物質。結果發現我們非常接近嚴格的界線點，這導致我們的命運再次懸而未決。而這一切在20世紀末發生了改變。1998年，兩組相互競爭的天體物理學家小組宣布了一項令人驚訝的發現：宇宙的膨脹在加速。正常物質和能量無法做到這一點。這是一種新類型能量，名為“暗能量”的存在證據，這種能量的特性與宇宙里任何其他的都不相同。

暗能量會撕裂宇宙，我們仍然不知道它究竟是什么，但宇宙里70%的能量都是暗能量，且這個數字一直在增加。

暗能量的存在意味著宇宙里物質的量可能無法決定宇宙的最終命運。相反，控制著宇宙的是暗能量，它加速了宇宙膨脹。這導致大收縮理論發生的可能性比較低。但也并不意味著大凍結一定會發生。仍然存在其它可能性。其中一個起源于亞原子粒子的世界，這可能是宇宙最奇怪的命運。它聽起來就像科幻小說里的情節，從某種角度上說，它的確是。

在庫爾特·馮內古特（Kurt Vonnegut）的經典科幻小說《貓的搖籃》里，冰-9是水冰的一種新形式，它有著不可思議的特性：它在46攝氏度的溫度下凝結，而非0度。當冰-9晶體落入一杯水里，周圍所有的水都會立即模仿晶體，因為它的能量比液態水更低。冰-9的新晶體也會導致周圍的水在一瞬間變成這樣，這種連鎖反應導致玻璃杯里的水——甚至全世界的海洋——都形成固態冰-9。

在現實生活里，正常的冰和水也可能發生相似情形。如果你將純凈水倒入一個非常干凈玻璃杯里，并將它冷卻至0度一下，水就變得超級冷卻：它會在自然凝固點以下保持液態。水里并沒有任何雜質，所以冰無法形成。但如果你將一顆冰晶扔進杯子里，水將快速凍結，就像冰-9一樣。冰-9和超冷卻的水似乎與宇宙命運并不相關，但空間本身可能發生相似情景。

量子力學描述了即使在完全空洞的真空里，仍存在少數能量。但這可能存在其他類型的保留有少數能量的真空。如果這是真的，那么整個宇宙就像一杯超冷卻的水，它只能持續到低能量真空“泡沫”出現之前。幸運的是，目前尚未有任何我們已知的這類泡沫。不幸的是，量子力學描述了如果低能量真空是可能的，那么這樣的真空泡沫可能不可避免的會出現在宇宙某處。當這發生時，就像冰-9一樣，新的真空將改變周圍的舊真空，泡沫將以接近光速的速度膨脹，我們將無法預測它的到來。

在泡沫里，事情可能完全不同，也不是非常不宜居。基本粒子，例如電子和夸克的特性可能完全不相同，這將改寫化學規則，甚至阻止原子的形成。人類、行星甚至恒星本身可能在大改變（Big Change）中被摧毀。在1980年的一篇文章里，物理學家悉尼·科爾曼(Sidney Coleman)和弗蘭克·盧西亞(Frankde Luccia)將它稱為“終極生態災難”。

雪上加霜的是，在大改變后暗能量的表現形式可能將變得有所不同。它并不會驅動宇宙加速膨脹，而是拖拽宇宙不斷自我坍塌，最終迎來“大收縮”。

此外，還存在第四種可能性，在這種情形里暗能量仍然居于中心位置。不過這一理論是高度揣測性的，且可能性非常低，但也不能將其完全排除。暗能量可能比我們目前預想的更加強大，它甚至可以憑借一己之力終結宇宙，而根本不需要經過什么大改變、大凍結或是大收縮。

暗能量具有一種非常奇特的性質。隨著宇宙膨脹，它的密度保持恒定。這意味著隨著時間推移，宇宙將產生越來越多的暗能量，從而保證不斷膨脹的宇宙的密度維持恒定。這種情況非常罕見，但它并未打破任何物理學定律。

然而情況還可以變得更加詭異：如果暗能量的密度隨著宇宙的膨脹而增加，情況將會如何？換句話說，如果宇宙里暗能量數量的增加速度超過宇宙的膨脹速度，那將會如何？

這個問題是由美國新罕布什爾州達特茅斯學院的羅伯特·查得威爾(Robert Caldwell)提出的。他將其稱為“幽靈暗能量”，它將導致宇宙走向一條詭異的命運之路。

如果幽靈般的暗能量真的存在，那么黑暗終將勝利——正如電影《星球大戰》中警告我們的那樣。

目前，暗能量的密度還非常低，遠低于地球上物質的密度水平，甚至低于銀河系的密度水平。但隨著時間的推移，幽靈暗能量的密度將持續累積并最終撕裂宇宙。

在2003年發表的一篇論文里，查得威爾和他的同事構建出了一個他們稱之為“宇宙末日”(cosmic doomsday)的情境。一旦幽靈暗能量的密度超過某一特定物體，這個物體就將被撕裂成碎片。

首先幽靈暗能量將撕裂銀河系，其中恒星散落各處。隨后太陽系將被撕裂，因為暗能量的拖拽力已經超過了太陽對地球和其他公轉天體的引力作用。最終在短短幾分鐘內地球將會爆炸。然后，原子將被粉碎，幾分之一秒后整個宇宙將被撕碎。查得威爾將這種情境稱為“大撕裂”(Big Rip)。

查爾維爾自己也承認大撕裂理論看上去非常“怪誕離奇”——這不僅僅是因為它聽起來像超級英雄漫畫里的情節。

幽靈暗能量理論與一些基本宇宙理論之間存在沖突，例如物質與能量的運動速度不可超越光速的假設。基于我們對宇宙膨脹的觀測以及粒子物理學的實驗結果，宇宙的最終命運更有可能是大凍結，很有可能在那之后還會經歷大改變和一次終極的大收縮。

這是非常可怕的未來——亙古持久的冰冷空曠，在真空衰變中終結，最終迎來終極塌縮一片虛無。有沒有可能逃離這樣的噩夢？抑或是我們命中注定的末日？

對于我們個人而言，就沒有必要去擔心宇宙終結。可能除了大改變之外，以上討論的所有事都是在未來億萬年后才有可能發生的，它尚未成為一個迫在眉睫的問題。

我們也不必為人類的命運擔憂。如果沒有發生其他變故，早在這一切發生之前，光是遺傳漂變就已經足以讓我們的后代變得面目全非。美國新澤西州普林斯頓高等學術研究所的物理學家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)在1979年發表的一篇經典論文中探討過這個問題。當時，戴森認為生命體可以自我改造適應大凍結，它認為這比逃離大收縮地獄要更容易。

然而時至今日，暗能量的發現讓戴森對這個問題已經不那么樂觀。“如果宇宙正在加速膨脹，那真是一個壞消息。”加速膨脹意味著我們將最終失去與絕大部分星系的聯系，從而極大限制我們能夠獲取的能量。戴森表示：“從長遠來看，這是一種非常糟糕的情況。”

然而情況可能會發生變化。“我們目前仍然不確定這樣的膨脹是否會持續下去，因為我們尚未理解宇宙為何會加速膨脹。對此較為積極的觀點是，隨著宇宙變得越來越大，加速將會減慢。如果是那樣，那么未來將會明朗得多。”戴森說道。

可是如果宇宙膨脹沒有減速呢，或者大改變即將來臨，那將會如何呢？對此，一些物理學家們給出了自己的解決方案，但聽上去就像一群瘋子科學家的設想：要想逃離宇宙終結的命運，我們就在實驗室里創建我們自己的宇宙，然后跳進去。

其中一名物理學家便是美國麻省理工學院的阿蘭·古斯(Alan Guth)，他是早期宇宙研究方面的專家。古斯教授表示：“我并不是說物理學定律完全暗示這是可能的。但如果它是可能的，它可能需要遠遠超出我們目前能夠預見的高科技。此外還需要巨大的能量來創造宇宙并對其進行操控。”

據阿蘭表示第一步將是創造出一種密度極高的物質形式——它的密度如此之高以至于幾乎可以自我塌縮成為黑洞。如果能夠以恰當的方式實現這一步，并迅速清空該區域周圍的其他物質，那么我們或能夠迫使這一空間區域發生快速膨脹。

事實上，你已經創造了一個全新的宇宙。隨著該區域空間的膨脹，邊界將會收縮，創造一個彎曲空間的“氣泡”，氣泡“里面”要比“外面”更大。

古斯表示，這樣的情景對于《神秘博士》的粉絲們來說可能并不陌生，這部科幻劇里的TARDIS可能是對他所提到的空間扭曲模式“非常精準的類比”。最終，外界將完全收縮消失，新生宇宙讓我們逃脫“舊”宇宙里我們將要面臨的厄運。

至于這是否真的可行我們目前還無法確定。古斯表示：“對此我們還不甚清楚。我們目前不確定這樣做是否可行。”然而古斯指出宇宙終結以外我們還存在另一線希望——只有一絲而已。

古斯是最早提出早期宇宙在極短時間內快速膨脹的科學家之一，也就是所謂的“宇宙暴漲”(inflation)。許多宇宙學家現在相信暴漲理論是目前解釋早期宇宙的最佳理論。而古斯所謂的創造新宇宙依賴于重現這樣的暴漲。

暴漲對于宇宙的命運會產生有趣的后果。該理論認為我們所處的宇宙僅僅是多重宇宙的一小部分，并且存在著一個永恒膨脹的“背景”，它不斷制造出像我們宇宙這樣的新的“口袋宇宙”。

古斯表示：“如果情況的確如此，那么即便我們知道每一個單獨的口袋宇宙最終將死亡，但多重宇宙作為整體會永生，在每一個新創造的口袋宇宙里會有新生命的產生。在這樣的情境里，多重宇宙作為一個整體是永恒的，至少在未來是永恒的，盡管單個口袋宇宙會不斷的誕生和死亡。”

也許卡夫卡的那句話是對的，他說：“有很多希望，無限多的希望——但不是我們的。”

發表于 2015-08-18 00:00
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