宇宙最终将以何种方式死亡?

宇宙最终将以何种方式死亡?
宇宙最终将以何种方式死亡?

宇宙最终将以何种方式死亡?
道生一,一生二,二生三,三生万物.道者,无也. —老子《道德经》
宇宙诞生之前,没有时间,没有空间,也没有物质和能量.大约150亿年前,在这四大皆空的“无”中,一个体积无限小的点爆炸了.时空从这一刻开始,物质和能量也由此产生,这就是宇宙创生的大爆炸.
刚刚诞生的宇宙是炽热、致密的,随着宇宙的迅速膨胀,其温度迅速下降.最初的1秒钟过后,宇宙的温度降到约100亿度,这时的宇宙是由质子、中子和电子形成的一锅基本粒子汤.随着这锅汤继续变冷,核反应开始发生,生成各种元素.这些物质的微粒相互吸引、融合,形成越来越大的团块,并逐渐演化成星系、恒星和行星,在个别天体上还出现了生命现象.然后,能够认识宇宙的人类终于诞生了.
这幅大爆炸图景,是目前关于宇宙起源最可能的一种解释,被称为“大爆炸模型”.大爆炸理论诞生于20年代,在40年代由伽莫夫等人进行补充和发展,但一直寂寂无闻.直到50年代,人们才开始广泛注意这个理论,不过也只是觉得它很好玩,并不信服.人们更愿意认为,宇宙是稳定的、永恒的.
但是,越来越多的证据表明,大爆炸模型在科学上有强大的说服力.我们不得不相信,宇宙有一个开始,也将有一个终结.它产生于“无”,也终将回归于“无”.
宇宙：可有始,可有终?
在人类历史的大部分时期,有关创世的问题,一向是留给神去解决的.宇宙起源于何处?终点又在哪里?生命如何产生?人类怎样出现?对这些疑问,许多宗教都能给出一份体系完备的答案.至于上帝从哪里来,这种问题是不该问的.
直到最近几个世纪,人们才开始学着把神撇开,以超越宗教的角度,去思考世界的本源.这样一来,就有一个重大的原则性问题需要解决：宇宙是永恒存在的,还是有起始的?
这两种说法长久以来一直困扰着科学家、哲学家和神学家,对于普通人来说,更是难以理解.假设宇宙在时间上没有起源,即过去一直存在,那么宇宙的年龄就是无穷大了.无穷大这个概念,一听就让人头昏脑胀：既然是已经过去了无穷久的时间,我们的“现在”又是什么呢?而如果说宇宙是有起始的,那么它就是从“无”中突然产生的了,这最初的一刹那,又是怎样呢?
凭着人类在短暂的生命中获得的常识,实在是很难想明白这些东西.不过,我们可以从科学上寻求一些佐证.大爆炸模型的一个基本假设是宇宙的年龄有限,这个说法令人信服的直接理由,来自物理学中一条最基本的定律——热力学第二定律.这条科学史上最令人伤心绝望的定律,冥冥中早已规定了宇宙的命运.
简而言之,第二定律认为热量从热的地方流向冷的地方.对任何物理系统,这都是众所周知并且显而易见的特性,毫无神秘之处：开水变凉,冰淇淋化成糖水.要想把这些过程倒过来,就非得额外消耗能量不可.就最广泛的意义而言,第二定律认为宇宙的“嫡”（无序程度）与日俱增.例如,机械手表的发条总是越来越松；你可以把它上紧,但这就要消耗一点能量；这些能量来自于你吃掉的一块面包；麦子在生长的过程中需要吸收阳光的能量；太阳为了提供这些能量,需要消耗它的氢来进行核反应.总之宇宙中每个局部的嫡减少,都须以其它地方的嫡增加为代价.
在一个封闭的系统里,嫡总是增大的,一直大到不能再大的程度.这时,系统内部达到一种完全均匀的热动平衡状态,不会再发生任何变化,除非外界对系统提供新的能量.对宇宙来说,是不存在“外界”的,因此宇宙一旦到达热动平衡状态,就完全死亡,万劫不复.这种情景称为“热寂”.
宇宙正在缓慢地、但坚定不移地走向这无法抗拒的命运,几代智者为此怀疑人类的存在是否有意义.暂且撇开这种沮丧的情绪,作一个简单的推理,我们就可以发现,宇宙不可能有无限的过去.很简单,如果宇宙无限老,那它早就已经死了.以有限速率演变的东西,是不可能永远维持下去的.换句话说,宇宙必然是在某个有限的时间之前诞生的.
大爆炸：有推论有根据
第二定律明示了宇宙有起始,但这个重要推论竟然被19世纪的科学家忽略了,它只是在后来成为大爆炸模型的佐证.该模型的提出,是基于20世纪初的天文观测.
20年代,天文学家埃德温·哈勃注意到,不同距离的星系发出的光,颜色上稍稍有些差别.远星系的光要比近星系红一些,即波长要长一些,这种现象被称为“哈勃红移”.它说明,各星系正以很高的速度彼此飞离.一列火车快速驶远时,它的汽笛声听来会沉闷很多,因为声波相对于我们的频率变低、波长变长了,这就是多普勒效应.把声波换成光,产生的效果就是红移.哈勃对众多星系的光谱进行研究后确认,红移是一种普遍现象,这表明宇宙正在膨胀.
这一发现,奠定了现代宇宙学的基础.
如果宇宙正在膨胀,那它过去必定比较小.如果能把宇宙史这部影片倒过来放,我们势必会发现,在过去的某个时刻,所有的星辰都是聚合在一起的.这个时间大概是100多亿年前,要准确推断它比较困难.
另外,宇宙膨胀的速度会随时间发生变化,这与引力有关.万有引力作用于字宙中一切物质与能量之间,起到刹车的作用,阻止星系往外跑,从而使膨胀速度越来越慢.在诞生初期,宇宙从高密度状态迅速膨胀,随着时间的推移,体积越来越大,膨胀速度越来越小.将这个过程向回追溯到宇宙创生的那一刻,可以发现当时宇宙体积为零,而膨胀速度为无限大.这就是大爆炸.
大爆炸是空间、时间、物质与能量的起源.这些概念都不能外推到大爆炸之前.大爆炸之前发生了什么、是什么引起了大爆炸,这些问题在逻辑上就是没有意义的.那以前所有的,只是“无”.
以上所述仅是旁证,似不足以令大多数人信服.如果150亿年前发生了一场大爆炸,如此惊天动地的力量是否在今天的宇宙结构上留下了某种印迹?于是,有一阵子,科研人员热衷于寻找宇宙创生的遗迹,劲头赛过当年的宗教考古学家寻找伊甸园.亚当和夏娃的文物是一样也没发现,原初宇宙最重要的遗迹倒真给找出来了,这就是微波背景辐射.
按照大爆炸理论,最初的几分钟里,宇宙是一个炽热的火球,到处充满温度高达几十亿度的光辐射.由于此时的宇宙处于热动平衡中,这种辐射具有独特的光谱特征,称为“黑体谱”.1965年,贝尔电话公司的两位物理学家彭齐亚斯和威尔逊偶然发现,宇宙确实浸润在一种热辐射之中.这种辐射以相同的强度从空间各个方向射向地球,其温度约为3K,谱线具有完美的黑体谱特征.微波背景辐射的发现,是对大爆炸模型最有力的支持.
知道了今天宇宙背景辐射的温度,就很容易推算出,宇宙诞生后约1秒钟各处的温度约为100亿度.在如此高温下,不仅我们熟悉的物质无法存在,连原子核也会被撕得粉碎.宇宙只能是一锅由质子、中子和电子等构成的基本粒子汤.
随着这锅汤变冷,核反应发生了.中子和质子很容易聚合在一起,产生由两个质子、两个中子组成的氦核.计算表明,氦核形成的过程持续了大约3分钟,形成的氦约占宇宙物质总质量的四分之一.这个过程用完了所有的中子,余下的质子就成了氢原子核.
因此,大爆炸模型预言宇宙应当由大约25％的氦和75％的氢组成,这与天文测量结果极为符合.最初三分钟里形成的氢与氦,构成了宇宙中99％以上的物质.形成行星和生命的丰富多彩的重元素,只占宇宙总质量的不到l％,它们大部分是在恒星内部形成的.
根据推断,宇宙的形成距今约100～200亿年.
生命：既永恒又无恒
天文观测表明,各种天体的年龄均小于200亿年,这与大爆炸理论契合得非常好.我们的地球大概是50亿年前形成的,人类出现的时间更短得不值一提.宇宙现在还算得上年轻,担忧末日的来临,对单个人来说是十分无聊的事.然而,为全人类的命运想一想这个问题,还是有必要的.
按照大爆炸模型,宇宙在诞生后不断膨胀,与此同时,物质间的万有引力对膨胀过程进行牵制.如果宇宙的总质量大于某一特定数值,那么总有一天宇宙将在自身引力的作用下收缩,造成与大爆炸相反的“大坍塌”.如果宇宙总质量小于这一数值,则引力不足以阻止膨胀,宇宙就将永远膨胀下去.
在非常遥远的将来,比如1亿亿亿年以后,所有的恒星都燃烧完毕,茫茫黑暗中,潜伏着一些黑洞、中子星等天体.宇宙的尺度已经膨胀到如今的1亿亿倍,而且还在扩张下去.在这个系统里,引力虽不足以使膨胀停止,但会不露声色地消耗着系统的能量,使宇宙缓慢地走向衰亡.黑洞在霍金效应的作用下释放出微弱的辐射,最终全都以热和光的形式蒸发掉.足够长的时间之后,连质子这样稳定的基本粒子也衰变、消亡了,宇宙最终变成一锅稀得难以置信的汤,其中有光子、中微子,越来越少的电子和正电子.所有这些粒子都在缓慢地运动,彼此越来越远,不会再有任何基本物理过程出现.
这是寒冷、黑暗、荒凉而又空虚的宇宙,它已经走完了自己的历程,面对的是永恒的生命,抑或永恒的死亡.这种情景,差不多就是“热寂”了.
如果引力足够强大,宇宙终有一天开始收缩,又将如何呢?在大尺度上,收缩过程与大爆炸后的膨胀是对称的,像一场倒放的电影.收缩的过程起初很缓慢,随后越来越快.在转折点过后,宇宙的体积开始缩小,背景辐射温度上升.漆黑寒冷的宇宙变成一个越来越热的熔炉,生命无处可逃,全都被煮熟烤焦.最后,行星、恒星也毁灭了,分布在如今浩瀚空间中的物质被挤进一个很小的体积内,最后三分钟来临了.
温度变得如此之高,连原子核也被撕毁,宇宙又成了一锅基本粒子汤.然而这种状态也只能生存几秒钟的时间.随后,质子和中子也无法区分,挤成一堆由夸克构成的等离子体.在最后的时刻,引力成为占绝对优势的作用力,它毫不留情地把物质和空间碾得粉碎.在这场与大爆炸的“暴胀”相对的“暴缩”中,所有的物质都因挤压不复存在,一切有形的东西,包括空间和时间本身,都被消灭.
这就是末日.它是一切事物的末日.大爆炸中诞生于无的宇宙,此刻也归于无.无数亿年的辉煌灿烂,连一丝回忆也不会留下.