宇宙会怎样结束？ | 赠书

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2023-10-08 14:10

40多亿年后，太阳将膨胀成一颗红巨星，吞噬水星和金星。图中描绘了那时地球干燥的地表，在已成为耀眼红巨星的太阳的映衬下，月球显现为一个黑色圆盘。

再过大约50亿年，太阳将迎来生命的终结，其包层的发光等离子体将膨胀到惊人的大小，水星和金星也会被吞噬。而曾经作为生命绿洲的地球，也可能已经在炙烤下化为灰烬。

在这篇节选自《天文终极之问》一书的文章中，作者将带着我们思考整个宇宙的命运，尤其是它将以何种状态终结。

《天文终极之问》

作者：[美］尼尔·德格拉斯·泰森

[美］詹姆斯·特赖菲尔

译者：符磊胡方浩王科超

出版社：江苏凤凰科学技术出版社

开放、封闭还是平直？

当我们思考整个宇宙的命运而不是我们附近天体或星系的命运时，我们必须首先了解宇宙的基本几何结构。想象一下你从地球表面向上抛出一个球，除非你是超人或者惊奇队长，否则它最终会因为重力减速，然后落回地球。如果将球以同样的速度从小行星表面向上抛，它将飞向太空，永不返回。如果以完美的速度投球，刚好可以补偿和抵消重力的影响，球可能会进入环地轨道。总之，球的命运取决于你发射它的速度、方向以及它受到的重力。

我们可以对宇宙膨胀的最终结果进行类似的论证。如果宇宙有足够的质量（足够的引力）来减缓星系远离的速度并让它们掉头，那么膨胀就会逐渐停止并在某一天逆转，这种情形我们称之为闭宇宙。另一方面，如果宇宙没有足够的质量，膨胀将永远持续下去，我们称之为开宇宙。这两种情况之间的过渡点被称为平直宇宙或平坦宇宙，它有足够的质量来阻止膨胀并最终在两种情况之间保持平衡。实现这一目标的质量被称为“关闭”宇宙的临界质量。所以，当我们思考宇宙的未来时，必须考虑3个要素：普通物质的总量、暗物质的总量以及暗能量的总量。

前两者可以通过经典的引力作用共同减缓宇宙膨胀，而暗能量则是真空中的反引力作用，会加速宇宙的膨胀。

对宇宙未来命运的思考还可以通过另一种方式进行，一种取决于几何而不是引力作用的方式。在这里，决定宇宙命运的是宇宙基本结构的3种可能形状：封闭式、平直式和开放式。

哪种形状代表了我们生活的实际宇宙呢？我们提出的不是一个理论问题，而是一个经验问题。我们需要进行一些测量然后才能在3种形状中做出选择。

宇宙的形状会影响它的命运。宇宙到底是封闭（左）、平直（中）还是开放（右）的呢？目前所有的证据都指向平直宇宙。

我们可以检测两条平行线在一段距离内是否保持平行，这只需要用到中学几何的知识。从左页的图中可以看到，很明显只有在平直宇宙中平行线才会一直平行。在封闭的宇宙中，平行线在延长后会相交，类似于地球表面的经线。尽管在技术上不可能通过发射激光束并观察它们在远距离传播后是否相交来进行这样的测量，但我们可以使用已经传播了超过130 亿年的光子——宇宙微波背景辐射来进行验证。事实上，分析这些微波光子的天体物理学家已经给出了答案：我们生活在一个平直的宇宙中。

这个简单的事实却蕴含了宇宙将如何终结的深刻奥义。

宇宙可能的结局

一般而言，宇宙以何种方式终结取决于宇宙到底是开放、封闭还是平直。在闭宇宙中，宇宙的膨胀在未来的某个日期会停止并逆转。宇宙中的物质开始聚拢，坍缩成最初的形态——一个密度无限大的奇点，这种情况称为大挤压。紧随其后的是新的扩张过程，即大反冲。因此，闭宇宙其实就是一个循环宇宙。这种观点很有趣，但目前收集到的所有数据都告诉我们，我们生活的宇宙并不是一个封闭系统。

宇宙其余两种可能的结局，无论是平直宇宙还是开宇宙，都取决于暗能量的性质。在宇宙早期的历史中，大量的普通物质和暗物质挤在一起，在任何空间尺度上，引力都是绝对的主导力量，无论当时的暗能量以哪种形态存在都无法显现其威力。随后，宇宙踩下了刹车，膨胀减速。到宇宙演化至大约 50亿岁时，普通物质和暗物质已经扩散得非常稀薄，削弱了引力对宇宙的支配地位。这为暗能量超越引力、成为宇宙新的主宰铺平了道路，宇宙的膨胀开始加速。目前我们仍处于由暗能量控制的加速膨胀时代。

在这里，我们想知道暗能量是不是有限的。宇宙的命运取决于这个问题的答案。

如果暗能量的总量是有限的，那么它的影响会随着宇宙的膨胀而减弱。在这种情况下，引力最终将再次主导宇宙的演化，膨胀将减慢但永远不会结束，正如平直宇宙所预言的那样。

然而，或许暗能量的数量会随着宇宙的膨胀而增加——这可能是真空本身的特性。宇宙膨胀得越大，引力就越小，而真空也越来越多，暗能量相对于引力的强度就越大。

这种情况下宇宙的膨胀最终会加速到完全失控的程度，导致可怕的结局，称为大撕裂。一些理论预测大撕裂将在大约220亿年后发生。

在宇宙加速膨胀的过程中，先是星系之间的距离越来越远，随后空间的膨胀使星系内的恒星也逐渐分离。在大撕裂发生前3个月，太阳系解体。在大撕裂发生前30分钟，物质中原子之间的空间会增大到让所有物质实体（行星、岩石、人体等）全都撕裂的程度。最后，无情的反引力甚至会将这些原子撕裂，只留下基本粒子飘荡在前所未有的虚空之中。

在对暗能量取得进一步认识之前，我们将无法确定宇宙的膨胀最终以何种状态终结。

在地球上见证宇宙的终结

用抽象的科学术语谈论宇宙的终结是一回事，而想象地球上的人在宇宙终结时看到的景象则是另一回事。因为物理定律此时正在终结宇宙中的一切，为了避免一些不必要的争论，我们只能假设地球上宇宙终结的见证者适当屏蔽掉了物理定律的影响，并且寿命长到可以见证整个宇宙终结的过程。在那时荒芜的宇宙中，我们也会看到各种烟花一般的壮观天象，但总体来说星空还是会逐渐变暗。我们在本节开篇引用了格雷爵士在第一次世界大战开始时所说的话，未来宇宙的荒凉景象会与此类似。

在接下来的几十亿年中，除了太阳逐渐变亮并影响地球，我们并不会看到其他特别的事情。但此后，我们将开始注意到星空中的一些新天象。当仙女星系越来越靠近并且准备与银河系相撞时，它将变成越来越大的模糊光斑。这两个星系因为受到引力影响，形态开始扭曲。但正如我们前面指出的，它们后续的一系列碰撞可能不会对太阳或太阳系产生太大的影响。恒星之间的距离太远了，宿主星系的碰撞对它们而言无关紧要。

当太阳最终成为白矮星后，我们会注意到另一个现象：天上的恒星开始渐渐消失。