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宇宙终结的四种可能

2015-8-14不详佚名

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。

本文来源:不详 作者:佚名

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