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人类的终结,宇宙的结局!

关于宇宙的最终结局有很多假说,比如被不断增强的暗能量撕成亚原子碎片的大撕裂,熵增到最高陷入热寂的大冰冻,还有重新收缩到奇点的大反弹。哪一种假说会最后成为现实,现在还不得而知。然而,即使这些假说都没有最终实现,宇宙也将在漫长的岁月中,慢慢陷入无边的黑暗和死寂。

天体物理学家弗莱德·亚当斯和格里高利·拉夫林在《宇宙的五个年代》(The Five Ages of The Universe)中,把宇宙的生命分为五个纪元。我们可以沿用这五个纪元的划分,来看看宇宙的最终结局。

1. 原初纪元(Primordial Era)

原初纪元的范围是从宇宙大爆炸到4亿年后,第一颗恒星诞生。这个纪元已经过去了。

图片来自Big Bang

2. 恒星纪元(Stelliferous Era)

恒星主宰宇宙,繁星布满夜空。生活在这个时代,无疑是我们的幸运。

图片来自The Starry Night

恒星纪元什么时候结束呢?或者说,最后一颗恒星什么时候会熄灭呢?质量越小的恒星,寿命越长,因为它们在核聚变中把氢转化为氦的速度越慢。最小的红矮星可以持续1万亿年。在宇宙幼年时形成的红矮星到现在只用了1%的氢。从人类的角度来看,它们还是婴儿。

现在,星系还在搅拌着星云,用星云气体创造新的恒星。但是,气体终有耗尽的一天。据估计,数十亿年后星云气体的供给将会后继乏力,新生的恒星越来越少,而已经诞生的恒星会用尽燃料,一个接着一个逐一熄灭。在这以后,诸如星系碰撞之类的事件会创造一些新恒星,延长恒星创生的年代。但是,和红矮星万亿年的寿命想比,延长500亿年甚至1000亿年都没有太大的区别。

当大量恒星熄灭的时候,星系将改变颜色。现在,多数星系都表现出耀眼的蓝白色,体积庞大的明亮恒星是星系内的主要光源。当这些恒星死去,质量较低的暗恒星成为主角,星系的颜色也会随之变暗变红。

星云气体耗尽后几十亿年,星系中只有长命的红矮星还在发光。这种情况将持续1万亿年,也许更长。可能质量最低的红矮星能持续10万亿年,但是在这里10倍并不是一个太重要的数字。在宇宙悠长的生命历程中,它们只是一些统计上的小小起伏。

3. 简并纪元

当最后一颗恒星熄灭,宇宙中释放能量的就只有恒星的遗骸:白矮星,中子星和黑洞。另外,还有一些棕矮星,它们的质量在恒星和行星之间。除了黑洞,白矮星和中子星都是由各种简并压力支撑,也就是说,在几万亿年以后,恒星纪元将会结束。简并纪元来临了。

宇宙将会变得十分黑暗,至少对人类的眼睛是如此,如果那时候还有人类的话。如果我们可以看到红外线,宇宙会明亮一些。这些天体还是比较温暖的,所以会有多多少少的红外辐射。中子星和白矮星诞生时非常热,然后慢慢冷却。冷却的速度和它们的大小有关,但是在几万亿年后,它们应该都会降到室温。所以,在简并纪元里,随着时间的流逝,宇宙慢慢变冷。

但是,这个纪元中也会有昙花一现的光明。在孤寂的宇宙中联袂起舞的白矮双星最终会走到一起。经过数万亿年,白矮双星的轨道将会由于引力波能量辐射而衰减(引力波的「直接」观测为什么很难? - Mandelbrot 的回答),双星在合并的刹那爆发出夺目的光彩,成为超新星。同样,中子双星也会合并,爆发,形成伽马射线暴,它们的亮度将超过1000个星系。但是,这只是短暂的事件,宇宙很快回归黑暗。

有趣的是,棕矮星是更好地能量来源。棕矮双星会合并形成低质量的恒星,然后在几百亿年中为黑暗的宇宙带来一点光明。

但是,在时间面前,没有任何东西可以保持到永恒。不但对于宇宙和恒星是如此,对于微观世界中的质子也是如此。质子的半衰期是10^34年,也许更长。当质子开始衰变,物质将会分解,白矮星,中子星,棕矮星,行星,都会消融在空间中。不过,值得欣慰的是,这个过程有一个亮点。白矮星分解的时候会释放能量,功率可达400瓦(微波炉功率的一小半)。

注:白矮星此时应该已经完全冷却,成为黑矮星了

4. 黑洞纪元

在10^40年以后,最后一颗简并天体也消失了,宇宙中只剩下了黑洞这一种天体。

宇宙进入了黑洞纪元。

在我们的印象中,黑洞是吞噬一切的无底洞。然而,黑洞可以同过一种方式产生能量 ——蒸发。20世纪70年代,史蒂芬 霍金用量子力学研究黑洞,发现黑洞确实会向外辐射能量,从而损失质量。越大的黑洞损失质量越慢。一个3倍太阳质量的黑洞(通过超新星诞生的最小黑洞),完全蒸发需要10^68年。这是一个长得近乎荒谬的时间,但是宇宙可以等待。而星系中心的黑洞要完全蒸发,需要10^92年。1后面92个0,就是下面这个数字。

这个数字如此之大,我们甚至无法找到一个东西来进行类比,因为它甚至大于已知宇宙中的基本粒子的个数(10^85)。

当黑洞质量变小,它的蒸发速度就会加快。最后,黑洞会在一道闪光之后消失的无影无踪。这是黑洞纪元唯一的光。

5. 黑暗纪元

最后,一切的消失了。宇宙中只剩小了能量极低的亚原子粒子和光子。这是10^92到10^93年以后。这是,我们可以有把握地说,宇宙已经死了。

宇宙进入了黑暗纪元。如果时间还有意义的话,这个纪元将会延续到无穷。

6. 其他可能的结局

如果暗能量按照现在推测的那样持续增强,宇宙将走向另一个结局:大撕裂。在这个结局中,没有任何力量可以对抗空间膨胀,所有的物质都会瓦解,连原子都会被撕成碎片。大撕裂将会在黑暗纪元以前发生,但是这个结局并不比黑暗纪元更加光明。

最后,我们还有一个非常微小的希望可以得到一个光明的新宇宙。量子物理中有一个猜想,也许我们的真空并不是一个最低能量状态。就像你站在一个台阶上,而你下面还有一级台阶。

当宇宙在黑暗纪元中沉睡无数年以后,也许一小片空间因为不管什么原因,跌落到下一个能级——真正的真空。它会带动周围的空间纷纷跌落。这时,奇怪的事情发生了,在这些跌落的空间中,物理定律将被重写,时间和空间将被抹去。这个区域迅速扩展,留下的地方是一个新的宇宙。也许这也是我们的宇宙的来源。

这个猜想给了我们一个新宇宙的希望。这个希望虽然渺茫,但是有一丝希望,也好过在黑暗和寒冷中沉睡到无穷。


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