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宇宙会有终结吗?哪一种结局最有可能?

科普小知识2022-02-03 03:11:15
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宇宙会有终结吗?哪一种结局最有可能?

几千年来,人们一直想知道一个问题的答案,那就是:宇宙会有尽头吗?

在描述世界末日时,美国诗人艾略特写道:“不是爆炸,而是哭泣。”然而,如果你想得到一个更详细的答案,你会发现物理学家已经在他们自己的头脑中反复思考过这个问题很多次,并且列出了几个最有可能的结果。

新罕布什尔州达特茅斯大学的宇宙学家罗伯特·卡德维尔指出:“在教科书和宇宙学课上,我们了解到宇宙未来有三种不同的命运。”

在这些命运中的一个中,宇宙将永远膨胀,然后其中的所有物质最终将完全分解并成为能量形式。宇宙将在沉默中慢慢“死亡”,这就是物理学家通常所说的“热寂”;或者,按照第二条命运之路,引力最终会停止宇宙的无限膨胀,开始反向收缩的过程,最终宇宙会崩溃,从而产生一个“反向大爆炸”的过程,即所谓的“大挤压”;除了这两种方式,还有第三种方式:宇宙中的暗能量会导致宇宙膨胀加速,越来越快,导致无法控制的“大撕裂”。

在讨论宇宙的死亡之前,让我们先看看宇宙的诞生。我们目前的理解是,时间和空间都起源于大爆炸——这是亚原子尺度、超高温和超高密度点突然爆炸膨胀的结果。当一切开始逐渐冷却并冷却到一定温度时,粒子开始形成,并逐渐在宇宙中建立起那些大规模的结构,比如星系,然后是恒星、行星、地球,我们就诞生了。今天大约是宇宙诞生后的137亿年,但是我们仍然不知道宇宙能存在多久。

宇宙的第一个命运是“热沉默”:有一天,宇宙中所有的恒星最终会耗尽它们最后的能量,一个接一个地死去。宇宙中不会有闪亮的恒星,只有致密的星体会存在:白矮星、中子星等。质量最高的恒星被黑洞抛在后面。尽管这些黑洞并不像许多人认为的那样贪婪,但只要时间足够长,宇宙中的大部分物质仍将被这些黑洞吞噬。这时,一些奇怪的事情会发生。

已故英国物理学家霍金认为,黑洞并非完全“不能进入,而是会产生一种被称为霍金辐射的特殊辐射效应”。这种辐射实际上消耗了黑洞的部分质量,导致黑洞缓慢“蒸发”。英国赫尔大学的天体物理学家凯文·皮姆伯特指出,在10的100次方之后(是的,这是一个非常大的数字,写为1后跟100个零),宇宙中所有的黑洞都会蒸发消失。这时,宇宙将变成空无一物的能量。

相反,如果遵循“大挤压”理论给出的未来前景,恒星和星系之间的引力相互作用总有一天会开始拖累整个宇宙并导致其收缩。整个过程有点像大爆炸的相反过程,在这个过程中,星系团将逐渐相互靠近,最终合并,恒星和行星相互碰撞和合并,最终整个宇宙和其中的一切将回到一个无限大小和密度的点——就像大爆炸之前一样。

这种前景让科学家本能地喜欢它,因为它似乎提供了一种传统的对称感。正如卡德维尔所说:“这很简单明了。这就像去野餐,回来时什么也不带,什么也不留下。”

宇宙命运的第三个也是最后一个假设是“大撕裂”在这种情况下,暗能量将发挥重要作用。暗能量是一种“负引力”的存在。它将挑战重力,加速宇宙的膨胀。目前,人类对暗能量的本质几乎一无所知。

在暗能量的作用下,宇宙将迅速膨胀,直到遥远的星系变得如此遥远,以至于它们发出的光再也无法到达我们的眼睛。随着加速度的继续,越来越近的天体开始一个接一个地消失,消失在视线之外——太阳系将被“黑暗的墙”包围——环顾四周,宇宙是黑暗的,就像黑暗的海洋,没有一丝星光。

接着是物体本身的解体——星系将会解体,太阳系将会解体,然后让你的思维继续下去——行星将会被撕裂,然后构成所有物质的原子将会被生命撕裂,最后,整个宇宙将会被暗能量撕裂,一切都将被摧毁。

哪个结局最有可能?

看到这一点,读者自然会问:那么根据我们目前的理解,上述哪种前景最有可能发生?由于我们对暗能量知之甚少,科学家仍然无法确定哪一种更有可能发生。然而,卡德维尔希望人类在观测设备方面的进步,如美国宇航局的“宽视场红外探测望远镜”(WFIRST)和“大型综合探测望远镜”(LSST),将很快投入使用,这将有助于人类最终弄清暗能量的行为,这可能有助于我们更好地预测宇宙的最终命运。

关于宇宙末日还有其他不太主流的理论。在已知物理定律的范围内,有一种观点认为希格斯玻色子——由粒子物理的标准模型预测,并在2012年由欧洲粒子物理研究所证实,其功能是给其他粒子提供质量——将摧毁宇宙中的一切。理论上,这虽然听起来不正常,但确实是可能的。

当它在2012年首次被发现时,科学家发现这个粒子的质量是质子的126倍。但是在理论上,希格斯玻色子的质量值可以改变。这是因为宇宙目前可能不在最低水平。整个宇宙可能处于所谓的“不稳定伪真空”状态,这是相对于“真真空”而言的。如果希格斯粒子以某种方式衰变到质量更小的状态,那么整个宇宙将在更低的能级变成一个“真正的真空”。

如果希格斯粒子的质量突然变小,或者其他性质发生了显著变化,那么宇宙中所有物质的性质都会相应地发生变化。也许突然之间,电子将不再能够围绕质子运行,所以原子将不再存在。同样,光子可能被赋予质量,所以太阳照在我们身上,我们会感觉像下雨,但这是“小雨”。作为一种生物,它能在这样的世界生存吗?我不知道。

卡德维尔说:“我可以称之为某种由粒子物理环境引起的灾难。它并不直接导致宇宙的毁灭,它只是让生命是否还能存在于其中变得非常不确定。”