揭開宇宙末日的秘密
Stephen Battersby
李茂全譯自《新科學(xué)家》
第2485期，2005年2月5日，第31頁 宇宙的未來和人們過去想的不一樣。宇宙學(xué)家們曾相信他們知道宇宙將怎樣終結(jié)：它會逐漸衰弱。變的更冷，更暗淡的宇宙中逐漸只剩下一度發(fā)光的恒星的灰燼。這些想法現(xiàn)在已經(jīng)成為歷史了。
最新的研究表明宇宙可能有很多種不同的未來。宇宙死亡和重生的循環(huán)是很可能的，或者，當(dāng)宇宙的真空突然變成某種完全不同的物質(zhì)時(shí)，宇宙可能會有一個(gè)非常奇特的結(jié)局。宇宙可能在一次大坍塌中向內(nèi)塌縮，或者我們將迎來另外一種更加暴力的結(jié)局，它稱為大撕裂。慢慢陷入黑暗仍然是一個(gè)處于競爭地位的理論，但是恐懼卻不是：漫長的黑夜將會比你想象的有趣一些——想象一下到處是巨大的鉆石的宇宙，你就大概知道結(jié)局將是什么了。
為什么突然出現(xiàn)了這么多結(jié)局的可能性？直到最近，宇宙中的支配性的力量看來仍然是恒星和其他物質(zhì)之間的引力。這就意味著宇宙的未來只有兩種可能，要么宇宙的密度大到使引力能夠克服大爆炸以來的膨脹并且把所有的物質(zhì)在一次大坍塌中重新拉到一起，成為“大坍塌”，要么宇宙的密度不足夠大，膨脹將會永遠(yuǎn)持續(xù)下去。
過去大部分科學(xué)家相信后者更有可能。在1998年，天文學(xué)家們驚呆了：他們發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹根本沒有變慢，反而正在加速。對從遙遠(yuǎn)的超新星來到地球上的光的研究表明有種力量正在加速60億年前氣體的速度。這個(gè)發(fā)現(xiàn)似乎封印了我們的命運(yùn)，向我們宣判了一條迅速通往湮沒的道路。這種加速意味著宇宙將會以比我們想象的快的多的速度變得更冷和單調(diào)。
但是科學(xué)家們現(xiàn)在認(rèn)為預(yù)言這種黯淡的前景還為時(shí)太早，因?yàn)檫€沒有人知道什么導(dǎo)致了這種加速。天文學(xué)家稱這種神秘的力量為“暗能量”，但是它的起源和性質(zhì)仍然是個(gè)迷，怎么才能知道它將來會起什么樣的作用呢？哈佛大學(xué)的Max Tegmark說，“人們開始意識到只要我們還沒弄清楚暗能量究竟是什么，我們就不能太過于自信。”
盡管長期預(yù)報(bào)仍然有爭議，天文學(xué)家們卻對我們的宇宙鄰里關(guān)系在較近的未來會怎樣有一致的看法。在60億年后事情會相當(dāng)不妙，那時(shí)太陽將會膨脹為一顆紅巨星，它會蒸干地球上的海洋甚至吞下地球，隨后它會耗盡核燃料，收縮成一個(gè)和地球差不多大的白矮星。如果那時(shí)地球仍然存在的話，它將會變的很冷，空氣中的氮?dú)鈺Y(jié)成氮冰覆蓋在地球的表面。至少景色會很可愛：被紅巨星吹向太空的氣體在白矮星發(fā)出的紫外線激發(fā)下發(fā)光，地球?qū)话鼑谖宀世_紛的星云中。
| 宇宙可能在一次大坍塌中向內(nèi)塌縮，或者在另一種更加暴力的結(jié)局中被撕的粉碎。慢慢陷入黑暗也仍然是有可能的，就算是這種結(jié)局也非常刺激。 | | |
我們的銀河系也正在走向一個(gè)艱難時(shí)期：我們正在飛向另一個(gè)更大的螺旋星系，叫做仙女座星系，在大約30億年后兩者可能會碰撞。融合過程將會暫時(shí)創(chuàng)造出一個(gè)明亮的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的混血星系。一系列恒星被拋散，星系中大部分游離的氣體也將會被壓縮產(chǎn)生新的恒星。
大約再過幾十億年后，星系的旋臂將會消失，兩個(gè)螺旋星系將會融合成一個(gè)巨大的橢圓星系。除了臨近的小星系在被吞噬時(shí)噴發(fā)一些氣體外，大部分自由氣體都已經(jīng)被用盡了，因此新誕生的恒星就很少了。
我們的銀河系和仙女座星系的碰撞將會有一個(gè)驚人的高潮。在銀河系的中心是一個(gè)質(zhì)量超過太陽3百多萬倍的巨型黑洞，仙女座星系中心的黑洞大約有銀河系中心黑洞的10倍大。兩個(gè)黑洞最終都會落到新的星系的中心，它們會互相螺旋接近然后融合。這個(gè)過程將會釋放驚人的能量，發(fā)出強(qiáng)烈的光、X射線和引力波脈沖，引力波脈沖將會壓縮和拉伸每一個(gè)恒星和行星。
向宇宙深處看去，我們將看到其它的星系正在遠(yuǎn)離我們所在的這個(gè)橢圓星系，并且被暗能量之手牽引得更快。加速會持續(xù)多久呢？這就取決于暗能量的性質(zhì)了。例如，也許其能量密度隨時(shí)間減弱。那可能會產(chǎn)生一些非常極端的后果：一些科學(xué)家提出一種宇宙模型，其中暗能量逐漸變成負(fù)的。正的暗能量具有負(fù)的引力也就是斥力，負(fù)的暗能量和普通物質(zhì)一樣具有正的引力。
如果那種情況確實(shí)在我們的宇宙中發(fā)生，就會有一些極端的后果。首先，宇宙膨脹的加速會減小，然后暗能量開始剎車。宇宙的膨脹終將停止，然后開始收縮。星系會互相靠近，最后以很高的速度互相碰撞。最后所有的物質(zhì)會在一次大坍塌中撞擊到一起，密度和溫度都極高，就像是宇宙最初的大爆炸的反轉(zhuǎn)。
當(dāng)然，這些都還很遙遠(yuǎn)。對遙遠(yuǎn)的古老的超新星——它們描繪了宇宙膨脹的歷史——的觀測表明，如果暗能量正在衰弱的話，它也不會變化的很快。斯坦福大學(xué)的Andrei Linde計(jì)算出我們的宇宙距離大坍塌至少還有250億年，幾乎是宇宙現(xiàn)在年齡的兩倍。
實(shí)際上空無一物的空間仍然有能量就暗示了它可能是不穩(wěn)定的，它可能在任何時(shí)候躍遷到完全不同的狀態(tài)。如果真空可以進(jìn)入更低能量的狀態(tài)，那么何時(shí)衰變就只是時(shí)間上的問題了，我們無法提前得到警告。某個(gè)地方的真空會砰然衰變，然后包含新狀態(tài)的真空的“氣泡”會以光速變大直到吞噬整個(gè)宇宙。
如果它真的發(fā)生了，沒有人知道空間會變成什么樣子，但是可以肯定的是和現(xiàn)在很不一樣。例如，斯坦福大學(xué)的Andrei Linde提出了一個(gè)基于弦論的模型，其中空間有六個(gè)額外的空間維度，它們緊緊的纏結(jié)在一起以至于我們無法觀察到。在Linde的模型中，發(fā)生真空衰變時(shí)，這些額外的維度會解開。我們會忽然發(fā)現(xiàn)我們處在一個(gè)九維空間的宇宙中。因?yàn)闊o法存在穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這么一個(gè)高維度的宇宙幾乎一定會死去。其它類型的真空衰變可能會導(dǎo)致更有趣的未來。
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幽靈的威脅 但是更可怕的終結(jié)可能正在等著我們。2003年，新罕布什爾州達(dá)特矛斯（Dartmouth）大學(xué)的Robert Caldwell提出了相反的觀點(diǎn)，那就是暗能量可能會變得更強(qiáng)。暗能量的這個(gè)奇特的味被成為幽靈能量?？臻g的擴(kuò)張使幽靈能量增強(qiáng)，增強(qiáng)的幽靈能量使空間擴(kuò)張的更快，這導(dǎo)致了他稱之為“大撕裂”的破壞性的正反饋。
如果Caldwell的看法是正確的，大概400億年后危險(xiǎn)就會來臨。它可能是宇宙學(xué)家所能想到的最值得注意的世界末日。很象Douglas Adams在《宇宙末日的餐館（The Restaurant at the End of the Universe）》這篇小說中描述的場景。
在末日前大約6000萬年時(shí)，幽靈斥力將會強(qiáng)到足以撕開我們的銀河系。末日前大約幾個(gè)月時(shí)，表演正式開始了。假如這時(shí)我們站在一個(gè)和現(xiàn)在差不多的太陽系中，我們首先會發(fā)現(xiàn)外層行星一個(gè)一個(gè)的遠(yuǎn)離，然后我們生存的地球也會離開太陽。末日前的一個(gè)小時(shí)的時(shí)候，太陽將會爆炸。數(shù)分鐘后，地球也會被撕碎。我們最多只能觀察到末日前幾分之一秒。末日前10
-19秒時(shí)分子和原子被撕碎——我們大概看不到那個(gè)時(shí)候——幽靈斥力將會超過電磁力。很遺憾我們不可能親眼看到隨后原子核、質(zhì)子和中子的分解。
| 在大坍塌中，所有的物質(zhì)都會被壓碎變成超熱、超高密度的輻射之海，這當(dāng)然是人類無法忍受的。 | | |
對暗能量來說這些都不奇怪。最保守的理論——宇宙學(xué)家稱其為香草味的——認(rèn)為給定體積的真空具有與生俱來的的固定的能量，通常被稱為宇宙常數(shù)。很多科學(xué)家堅(jiān)信正是這種暗能量加速了宇宙的膨脹。粒子物理學(xué)家甚至能夠?qū)Υ瞬糠纸忉專焊鶕?jù)量子力學(xué)，無數(shù)一閃即逝的亞原子粒子在真空中持續(xù)產(chǎn)生和消失，它們的能量的加起來是某個(gè)值。他們的困難在于解釋只有大約1納焦耳（10
-9J）每立方米的觀測值。他們知道這些粒子的能量如何互相抵消或者累加到一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)值，但不是一個(gè)接近零的數(shù)。
然而，在宇宙學(xué)家中最為了解的暗能量的味是這樣的。如果暗能量是固定不變的，我們的宇宙將會在大坍塌和大撕裂之間維持臨界狀態(tài)并且保持非常長的時(shí)間。這種中間道路的未來將漫長而孤獨(dú)。
加速度會使大部分宇宙很快脫離我們的視界，加速膨脹將帶走其他星系，我們不再能看到它們。因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的光會象車子上蹣跚的烏龜一樣被向后拖走以至于不再能到達(dá)我們這里。根據(jù)密立根大學(xué)的Fred Adams的計(jì)算，所有其他星系將會在幾千億年后脫離我們的視界。
隨后我們會變的很孤獨(dú)，可觀測的宇宙將只包括我們橢圓形的銀河系，而且比現(xiàn)在黯淡的多。仍然有少量游離的氣體會產(chǎn)生新的恒星。Adams計(jì)算出經(jīng)過大約一百萬億年后氣體會被耗盡，這時(shí)所有核能恒星都會熄滅，只有褐矮星仍會發(fā)出微弱的紅外輻射，它們太小了以至于無法啟動它們核心的聚變反應(yīng)。
其它恒星將會死去，變成致密的殘余物——黑洞、中子星和逐漸老化變成黑色的白矮星。我們的太陽也會變成這種黑矮星的一員。成為一個(gè)碳的單晶體，就像一個(gè)超高密度的鉆石，表面溫度低到可以觸摸。
偶爾會有褐矮星碰撞在一起形成一個(gè)新的恒星，或者黑洞撕碎了一個(gè)恒星的殘骸時(shí)會有閃光打破黑暗。大約每一萬億年會有兩個(gè)較重的黑矮星會撞擊到一起爆發(fā)成一顆超新星。
偶爾會有恒星在一次近距離遭遇另外一顆恒星后被扔出星系。在大約10
20年后整個(gè)銀河系會解體。
現(xiàn)在我們可觀測的宇宙分解成一群漫游的死星，松散的環(huán)繞著一個(gè)被暗物質(zhì)云包圍的巨大的黑洞。如果地球的殘骸仍然存在，暫時(shí)它會跟在一個(gè)曾經(jīng)叫做太陽的黑矮星后面。但是這個(gè)系統(tǒng)將會通過輻射引力波的方式損失角動量，地球的殘骸將會螺旋接近并且撞擊到太陽上。
這時(shí)暗能量仍然起作用。每顆恒星都會看到它昨日的伙伴們逐漸離開它的視界，一個(gè)接一個(gè)的消失。我們的黑矮星最后將生存在只有它自己的宇宙里。
在那之后的情況如何，有很多的推測。這里是最好的一個(gè)推測。粒子物理學(xué)家認(rèn)為質(zhì)子是不穩(wěn)定的，它們能夠生存大概10
33到10
45年。當(dāng)質(zhì)子衰變成組成它們的夸克時(shí)，所有的黑矮星、中子星和行星都會崩潰，只剩下游離的光子、中微子、電子和正電子。甚至黑洞也會以霍金輻射的方式蒸發(fā)，盡管這個(gè)過程相當(dāng)漫長。比如我們銀河系中心的黑洞會足以蒸發(fā)10
86年。
然后呢？暗能量將仍然在這些灰燼上發(fā)揮作用。有一天，每一個(gè)粒子都會發(fā)現(xiàn)它的世界孤獨(dú)無比。
淡出 在大坍塌、大撕裂和孤獨(dú)的死亡外還有第四種可能，很象第三種但是不那么荒涼。在宇宙模型中，有些種類的暗能量的強(qiáng)度逐漸減弱，但是始終不會變成負(fù)值。它們中有大爆炸以來就存在的時(shí)空缺陷和一種被稱為“第五元素”（quintessence）的能量場。就像宇宙常數(shù)一樣，它們會給我們帶來一個(gè)沒有群星閃耀，所有的物質(zhì)都會分解成基本粒子云的寒冷的未來。然而，加速最終可能停止，所以它不會把所有的粒子相互隔離?；蛟S相互作用仍然存在，雖然非常緩慢，某種適應(yīng)寒冷的生物仍然可能生存(新科學(xué)家, 2002年8月3日, 第28頁)。
為了知道我們宇宙的未來將會走哪條道路，天文學(xué)家們正在試圖發(fā)現(xiàn)暗能量的性質(zhì)。如果它們能夠弄清楚在過去宇宙是怎樣擴(kuò)張的并且能夠明白暗能量是由什么構(gòu)成的，我們就會獲得關(guān)于未來的線索。
最有用的線索來自遙遠(yuǎn)的Ia型超新星爆發(fā)。這類超新星的輻射功率總是相同的，所以只要測量它們的視亮度和它們的距離就能知道從它們爆發(fā)以來空間膨脹了多少。天文學(xué)家們正在從地面觀測中搜集越來越多的數(shù)據(jù)。盡管被布什總統(tǒng)的月球和火星計(jì)劃推遲了，計(jì)劃中的名叫SNAP的太空望遠(yuǎn)鏡將要升空并觀察幾千顆Ia超新星（新科學(xué)家，2003年4月5日，第30頁）。
作為對超新星觀測的補(bǔ)充，其他一些天文學(xué)家正在利用星系了解暗能量的過去。因?yàn)榘的芰坎糠值窒宋镔|(zhì)之間相互吸引的趨勢，它的強(qiáng)度會影響宇宙歷史不同階段形成的星系群的數(shù)量。通過觀測足夠數(shù)量的古代星系群以弄清楚這段歷史，最有幫助的計(jì)劃是將在2011年啟用的大口徑綜合巡天望遠(yuǎn)鏡。
觀測結(jié)果可能會告訴我們未來將是什么樣子。未來可能就是坍塌、撕裂或者蒸發(fā)之一。但是實(shí)際上這些都不一定是最后的結(jié)局。宇宙甚至生命可能在以上任何一種災(zāi)難中幸免于難。
在大坍塌中，萬物都會被壓縮到一個(gè)高熱、高密度的輻射的海洋中。當(dāng)然這對人類是不適宜的。但是沒人知道當(dāng)物質(zhì)在那種高溫下的遵循哪樣的物理學(xué)原理，所以很難預(yù)測那時(shí)的宇宙會變的怎樣。Linde認(rèn)為“重新膨脹是可能的”。甚至在20世紀(jì)30年代的物理學(xué)家們就有這種想法了。如果宇宙可以反彈，那么創(chuàng)造我們的大爆炸后面可能接著就是一次大坍塌。每次大坍塌又導(dǎo)致了下一次大爆炸，如此反復(fù)。
黑洞病 這是一個(gè)誘人的想法，但是也有它的漏洞。振蕩的宇宙容易患上黑洞病。坍塌形成黑洞，每次循環(huán)中黑洞都會長大。密立根大學(xué)的Katherine Freese說：“這些黑洞會越來越大直到吞下整個(gè)宇宙”。但是她也許有治療的辦法。Freese和同校的Matthew Brown和紐約布法羅大學(xué)的William Kinney一起構(gòu)造了一個(gè)新的對黑洞病免疫的振蕩宇宙模型。
很奇特，藥方居然是一次大撕裂。一劑幽靈暗能量能撕裂任何物質(zhì)，甚至是黑洞——把它們有效地蒸發(fā)掉。這個(gè)治療方法聽起來比（黑洞）病更糟糕。但是實(shí)際上大撕裂是能夠補(bǔ)救的。這個(gè)瘋狂的主意是基于“膜宇宙”模型這個(gè)偉大的假說。在這個(gè)假說中，我們的基于三維空間一維時(shí)間的宇宙就像是漂浮在一個(gè)高維空間里面的一張膜（新科學(xué)家，2001年9月29日）。
在新的模型中，當(dāng)幽靈能量暴漲到導(dǎo)致撕裂時(shí)，它會擾亂我們的膜外更高維空間的場。這些場會把幽靈能量轉(zhuǎn)化成負(fù)的，使我們的宇宙開始再次坍塌。盡管所有的恒星、行星和其他結(jié)構(gòu)在撕裂前都消失了，但是新的物質(zhì)會在坍塌中被創(chuàng)造出來。如果那時(shí)有天文學(xué)家，他們將能看見時(shí)間倒轉(zhuǎn)，并且發(fā)現(xiàn)一種“大修補(bǔ)”。
然后，當(dāng)宇宙接近大坍塌的時(shí)候，普通物質(zhì)的能量密度和輻射暴漲。在更高維空間中的場再次起反作用，使收縮發(fā)生反彈產(chǎn)生一次新的大爆炸。盡管這些都不過是人為的假設(shè)，但是它至少說明了有這種可能，就是坍塌和撕裂都不必然是宇宙萬物的終結(jié)。
Freese猜測他的宇宙模型最后會耗盡精力停止反彈。與之相反，普林斯頓大學(xué)的Paul Steinhardt 和劍橋大學(xué)的Neil Turok提出的“大火災(zāi)”宇宙模型（ekpyrotic，由希臘單詞“大火”而來）認(rèn)為宇宙是永恒的。這是另一種膜宇宙模型，在這個(gè)模型中我們的膜并不是唯一的，在五維空間中不到一毫米外還有另外一個(gè)宇宙，它們會象一對鐃鈸一樣不時(shí)碰撞。在碰撞時(shí)它們的動能轉(zhuǎn)化為強(qiáng)烈的輻射，被我們稱為大爆炸。
批評者們指出當(dāng)膜碰撞時(shí)，物質(zhì)的密度達(dá)到無窮大，平衡會被打破，這種理論就沒多大意義了。Turok和他的合作者發(fā)表了一片論文，用M理論（弦理論的老大哥）證明這種情況不會發(fā)生，但是他們的理論目前還有爭議。
我們怎樣才能有機(jī)會在膜的碰撞中逃生呢？此時(shí)任何物質(zhì)世界的粒子都會暫時(shí)脫離物質(zhì)形態(tài)并且以光速飛離。不要擔(dān)心，生命仍然有可能逃生。“我們需要找到一種方法用輻射保存我們所有人的記憶和其他信息。如果你能想象出制造一種完全用光制成的計(jì)算機(jī)，你就可能夠把這些信息在大爆炸中保存下來并且在爆炸后恢復(fù)。”
在Freese的撕裂和坍塌中可能有一種類似的逃生路線——在一個(gè)根本層次上信息被保存了下來，可以想象有種辦法可能把我們編碼到下一輪的創(chuàng)世中。即使是在漫長的暗能量常量緩慢衰減的中，宇宙仍然有可能重新創(chuàng)造自己（見“量子重生”）。誰說我們不能永生呢？
即使我們面對一個(gè)宇宙常數(shù)把我們淪為一堆孤立的粒子的未來，也不是沒有希望。量子力學(xué)告訴我們?nèi)魏蜗到y(tǒng)都會有漲落。能量場會隨機(jī)漲落，真空中會自發(fā)的出現(xiàn)粒子。大的漲落非常罕見，你需要等非常長的時(shí)間等一些大的東西隨機(jī)出現(xiàn)，比如完整的原子或者分子。
如果我們的未來是無限的，時(shí)間就不是問題了。最終，任何物質(zhì)都有可能自發(fā)的出現(xiàn)，大部分都是沒有意識的物質(zhì)。但是非常少的一部分會是人、行星、星系甚至5哩長的你的左臂的黃金模型。密立根大學(xué)的Katherine Freese說，“在無限的時(shí)間中，我會重新出現(xiàn)，雖然聽起來很瘋狂，但這是真的。”
怎樣等到全新的宇宙呢？芝加哥大學(xué)的Sean Carroll認(rèn)為隨機(jī)漲落可能觸發(fā)新的大爆炸（新科學(xué)家，2004年8月21日，第34頁）。他甚至計(jì)算出等多長時(shí)間可以遇到這種大爆炸，大概101056年，就是1后面跟上1056個(gè)0。
這讓我們見過的任何時(shí)間尺度都顯得渺小——甚至很難用傳統(tǒng)的寫法把它寫下來。難以想象哪種生物能夠活得足夠長等到新的宇宙。除非他能找到一種技術(shù)觸發(fā)新的大爆炸，重新啟動宇宙的生死循環(huán)。
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需要承認(rèn)，所有這些預(yù)測都是局域的。它們只適用于我們可見的宇宙范圍。很有可能宇宙真是無限的。在我們的觀測范圍之外，情況可能很不同，甚至是物理常數(shù)也可能不一樣，這些區(qū)域有些可能更持久。在有些模型中，一個(gè)無窮大的宇宙不斷的產(chǎn)生新的大爆炸。
這些理論沒有一個(gè)能性想到我們，或者對我們的未來有什么影響，除非我們什么時(shí)候能夠在時(shí)空中操縱蟲洞，挖鑿?fù)ㄏ蜃杂傻耐ǖ?。?dāng)一個(gè)老的宇宙退休的時(shí)候，就搬到宇宙的一個(gè)新區(qū)域去。但是，即使我們無法逃離我們自己的星系，至少可以安心的認(rèn)為宇宙本身是永存的。
新科學(xué)家
