宇宙最終命運如何?

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻譯 程思淼

宇宙最終命運如何?

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻譯 程思淼

一切從“大爆炸”開始

上個世紀(jì)，天文學(xué)家有力地證明，我們現(xiàn)在居住的宇宙起源于大約138億年前發(fā)生的一次“大爆炸”。大爆炸之后不久，基本粒子和簡單的原子（氫和氦）形成。宇宙在膨脹中冷卻，當(dāng)溫度降到足夠低時，恒星得以形成。在這些恒星的核心發(fā)生的核聚變產(chǎn)生了很多新的元素，如碳、氮、氧等。另外一些我們生活中常見的元素，比如鐵，則是在更加猛烈的超新星爆發(fā)中產(chǎn)生的。與此同時，宇宙中出現(xiàn)了行星、白矮星、中子星和黑洞等各種天體。今天，新的恒星依然不斷從大爆炸、恒星風(fēng)和超新星爆發(fā)所遺留的氣體中產(chǎn)生出來。現(xiàn)在的宇宙似乎有利于行星的形成和生命的發(fā)展，不過在遙遠的將來，情況將發(fā)生戲劇性的變化。

地球未來還適宜居住嗎？

現(xiàn)在的地球是生命的完美棲息地。不過情況不會一直如此。與大質(zhì)量小行星或彗星相撞、附近發(fā)生超新星爆發(fā)、氣候災(zāi)變、以及人類自己的問題如爆發(fā)核戰(zhàn)爭等，都可以把人類文明乃至絕大多數(shù)生物從地球上抹去。這些事件的發(fā)生幾率極小，但并非不可能。不過，雖然那時地球上大部分的生物會遭到毀滅，但如果幾百萬年后地球再次變得宜居，新的生命還是會再度繁榮起來。

更嚴(yán)重的問題來自太陽。在接下來的十億年里，太陽的亮度將增加10%。這將使地球溫度上升到足夠高，進而引發(fā)失控的溫室效應(yīng)：越來越多的海水蒸發(fā)——而水蒸氣是重要的溫室氣體——溫室效應(yīng)將會增強，氣溫也隨之上升；而上升的氣溫將進一步刺激海水的蒸發(fā)。最終的結(jié)果是，地球表面的海水將在今后1 0～40億年完全蒸發(fā)干凈?；蛘哳B強留存、或者新生繁衍的一切生命，到那時也都將因缺水而滅絕。

地質(zhì)學(xué)家的研究表明，海洋在一定程度上影響著地球板塊的運動。海洋完全蒸發(fā)之后，板塊的活動將有可能停止。另外，地球的外核（地核分為兩層，最中心的是固態(tài)的內(nèi)核，外面一些是由融化的鐵、鎳形成的半液態(tài)外核）在幾十億年后將會完全凝固，地磁場也就隨之消失（地磁場是地球內(nèi)部的鐵、鎳流質(zhì)回旋流動形成的）。那時，大氣層將失去磁場的保護，暴露在強烈的太陽風(fēng)（太陽發(fā)出的高速帶電粒子流）之下，漸漸被“吹散”。

當(dāng)太陽在它生命的晚期變成一顆紅巨星，地球?qū)⒉豢杀苊獾刈呦驓?。大約幾十億年后，我們的太陽將急劇膨脹，其表面到達水星和金星的軌道，甚至有可能將地球也吞入腹中。即使地球沒有被“吞噬”，離太陽表面如此之近，也將使地球表面溫度急劇上升，成為一片巖漿的海洋。那時的太陽將比現(xiàn)在亮2700倍。在紅巨星階段之后，太陽將變成一顆白矮星。如果有幸“活”到那時，地球的表面又將變成寒冷的地獄，溫度將下降到零下200攝氏度以下。

在大約50～70億年后，太陽將變成一顆紅巨星。它將膨脹并吞噬水星、金星、甚至地球。在此期間，太陽將比現(xiàn)在明亮2700倍，因此，即使地球僥幸沒有被吞噬，表面也將成為一片巖漿的海洋。（圖片來源：http:// en.wikipedia.org/ wiki/Future_of_ the_Earth）

每天、每月都在變長……

其實，早在太陽變成紅巨星之前很久，我們就可以看到地球自轉(zhuǎn)和月球軌道發(fā)生的變化。讀者可能已經(jīng)知道，月球是地球上海洋潮汐現(xiàn)象（漲潮、落潮）的“策劃者”，它離地球這么近，地球兩端的海水受到月球的引力相差很大，海水于是沿著地月連線方向“腫”起來，而地球和它表面的海水都在自轉(zhuǎn)，也就是說，海水轉(zhuǎn)到正對月亮（月亮在頭頂）的時候，就顯得漲起來，轉(zhuǎn)到側(cè)向月亮（月亮在地平線上）的時候，就顯得落下去。這么多海水在地球表面時漲時落，必然會產(chǎn)生極大的粘滯（或者說摩擦）阻力；要維持這個運動，就需要很大的能量。而這能量，主要是從地球的自轉(zhuǎn)和月球的軌道運動那里“偷”來的。結(jié)果就是，由于拖了海水這個“累贅”，地球自轉(zhuǎn)漸漸變慢了，月球公轉(zhuǎn)也逐漸變慢，而且一點一點遠離地球而去。換句話說，“一天”（大約是地球自轉(zhuǎn)一周的時間）和“一月”（大約是月球公轉(zhuǎn)一周的時間）都變長了。每過100萬年，地球上的“一天”會增加12秒的長度，而月地距離則增加22千米。數(shù)字本身并不大，但在幾十億年的時間里，它不斷地積累著。

理論上說，由潮汐產(chǎn)生的這兩個過程會一直持續(xù)，直到地球的自轉(zhuǎn)周期與月球的公轉(zhuǎn)周期相同，或者說，直到1個月只有1天的時候為止。在地月系統(tǒng)中，達到這一平衡需要約500億年，那時的“一個月”等于“一天”——約等于現(xiàn)在的47天。不過，顯然，地月系統(tǒng)根本就沒有這個時間去達成平衡；前面已經(jīng)說過，大約在幾十億年后，太陽就將烤干地球表面的海洋，而沒有了海洋，也就不存在給地球和月球“拖后腿”的潮汐了。不過，月球看來很難在太陽的紅巨星階段幸免，因為它的軌道將可能受到巨大的擾動，月球最終不是撞向太陽，就是撞向地球。

太陽系的穩(wěn)定性

我們太陽系的年齡已經(jīng)超過45億歲了。除了剛誕生后不久發(fā)生過幾次大的行星碰撞事件，太陽系一直還是比較穩(wěn)定的，到現(xiàn)在也沒有什么太大的變化。時間流逝，很多彗星和小行星撞上行星和太陽，或者被拋出太陽系，或者有了相對穩(wěn)定的軌道。比較大的天體與地球相撞的事件越來越少。太陽系現(xiàn)在這種穩(wěn)定的狀態(tài)至少會持續(xù)幾十億年。

不過，太陽系各行星的軌道是在慢慢變化的。科學(xué)家可以用計算機模擬將來會在太陽系內(nèi)發(fā)生的事情?，F(xiàn)在看來，水星是八顆行星中軌道最不穩(wěn)定的，它也將第一個“出局”。如果測得各行星現(xiàn)在精確的位置和速度，計算機模擬就能夠預(yù)測，水星最終會撞上太陽、金星、地球中的哪一個，或者還是會因軌道改變而與木星來一次“親密接觸”（密近交會），然后在木星強大引力的影響下被“踢出”太陽系。不過，要準(zhǔn)確地算出結(jié)果，我們需要甚至小于1毫米的測量精度——顯然，我們現(xiàn)在還沒有這個能力。由于所謂的“蝴蝶效應(yīng)”，對太陽系的任何一顆行星、衛(wèi)星、乃至小行星的原始測量的微小誤差，都將對結(jié)果產(chǎn)生巨大影響。因此，水星的結(jié)局究竟如何，現(xiàn)在還沒法確定。我們現(xiàn)在能做的，只是接受計算機給出的幾種可能結(jié)局，然后靜靜地等待，看看幾十億年后降臨的是哪一個。

從更長的時間尺度上看，太陽將演化成一顆紅巨星，將水星、金星、甚至地球吞入腹中。在相對短暫的紅巨星階段之后，太陽將拋掉外層大約三分之一的質(zhì)量，內(nèi)部凝結(jié)成一顆白矮星——這顆白矮星比現(xiàn)在的太陽質(zhì)量要小。行星受到“太陽”的引力變小了，軌道也會發(fā)生變化。如果地球有幸在紅巨星的“折磨”中生還，它之后的軌道將擴大到相當(dāng)于現(xiàn)在火星所在的位置。當(dāng)然，火星和其他行星的軌道也將擴大。這些軌道的變化（不僅大小，行星軌道的形狀也會發(fā)生變化）很可能引發(fā)不穩(wěn)定，進而在所剩無幾的行星中向太陽系外再“甩”出幾顆。不僅如此，由于“太陽”的引力變小了，很多遙遠的太陽系天體（如奧爾特云里的彗星和矮行星賽德娜等）將完全脫離太陽系。而這個殘存下來的行星系統(tǒng)（由一顆白矮星和幾顆行星組成）將繼續(xù)存活幾十億年。

銀河系和仙女座星系的大碰撞

我們更大的“家”——銀河系，在未來也并不安全。銀河系與仙女座星系和其他幾十個矮星系共同組成了“本星系群”。在“本星系群”中，很多星系都在相互碰撞。事實上，大麥哲倫云（LM C）和小麥哲倫云（SMC）就正在與銀河系的碰撞當(dāng)中，不出十億年，它們就將成為銀河系的一部分。更令人關(guān)注的是，本星系群中最大的星系——仙女座旋渦星系也正以驚人的每秒300千米的速度，迎面向著銀河系沖過來。兩個星系將在大約40億年后相撞，然后融合成為一個大型橢圓星系。不過，由于恒星和行星的系統(tǒng)相對于整個星系來說實在是太小了，這個“大碰撞”看來并不會對太陽系內(nèi)部產(chǎn)生太大的影響——雖然星系碰撞催生的大質(zhì)量恒星有可能在附近發(fā)生超新星爆發(fā)，威脅地球上的生命。（能夠發(fā)生超新星爆發(fā)的大質(zhì)量恒星一般壽命都很短，從誕生到爆發(fā)可能只需要幾百萬年，與太陽系的壽命相比，就好像一瞬間一樣。）不過，兩個星系碰撞后，太陽系將有1 2%的可能性被整個地拋出這個新形成的橢圓星系。在更長的時間里（4500億年），本星系群的所有星系將融合成一個巨型星系。

仙女座星系現(xiàn)在正在與銀河系迎面相撞的途中。這幅藝術(shù)家的想象圖展示了從地球看去，兩個星系碰撞過程中一系列可能的圖景。左上第一幅圖描繪出今天銀河和仙女座星系的樣子，最后一幅圖則是兩個星系融合形成的橢圓星系可能的樣子。（圖片來源：http://science.nasa.gov/science-news/science-atnasa/2012/31may_andromeda/）

我們可觀測到的宇宙邊界將發(fā)生變化

時間尺度越長的事情我們對其的確定性也越小。不過，我們知道，宇宙是在膨脹的，而且是在加速膨脹。本星系群中的星系相距很近，引力能夠使它們聚攏在一起，甚至最后融合成一個超級星系；星系團和星系團之間可就不是這樣了。星系團彼此之間的距離是那樣遙遠，之間的引力幾乎可以忽略不計；它們將隨宇宙的膨脹一起，彼此加速遠離（退行）而去。由于光速是有限的，而宇宙在加速膨脹，這些星系（團）發(fā)出的光線（輻射）到達地球所需的時間就越來越長——退行速度超過光速的天體，我們就看不到了。1 000億年以后，宇宙的膨脹速度將如此之快，以至于本星系群之外的任何天體發(fā)出的光，都沒法再被我們看到。換句話說，我們“可觀測的”宇宙就只剩下本星系群的范圍了，除此以外，我們將什么也看不見。

在遙遠的將來，恒星將停止發(fā)光

45億年前，我們的太陽從一片巨大的氣體云中誕生。從那以來，它無時無刻不在為我們提供著光和熱，直到它大約1 00億歲壽終正寢時。在太陽的生命結(jié)束之前，它將膨脹成一顆紅巨星，到那時，水星、金星、甚至地球都有可能會被這個巨大的火球吞噬。之后，太陽將拋掉它外層的大氣，剩下的部分塌縮成一顆白矮星。這顆白矮星將非常熾熱，發(fā)出青白色耀眼的光芒。它沒有任何能量來源，它只是一個慢慢冷卻的熾熱天體而已。經(jīng)過幾百萬年，這顆白矮星將漸漸變冷、暗淡下去。

地球上絕大多數(shù)的原子都非常穩(wěn)定。其他的（如鈾和钚）穩(wěn)定性則差些，通過衰變過程，它們會變成更小的原子并釋放出輻射。其實，在極長的時間尺度上，所有的物質(zhì)都是不穩(wěn)定的，在很多、很多萬億年后，一切物質(zhì)都將衰變?yōu)檩椛?。（圖片來源：http://adrippingtap. wordpress.com/2013/01/11/ radioactive-waste/）

宇宙中的恒星之所以能夠發(fā)光，是因為它們的內(nèi)部有源源不斷的能量供應(yīng)——核能。不過，這一能源也并非是永恒不變的，因此恒星也有自己的壽命。恒星消耗其可用能源的速率與恒星自身的質(zhì)量有著密切的關(guān)系。大質(zhì)量的恒星將更快地耗盡自身的能源，只能“活到”幾百萬歲而已，而小質(zhì)量的恒星則可以“活到”一千億歲。當(dāng)恒星中可用的核能耗盡，依照質(zhì)量的不同，它們將變成白矮星、中子星或黑洞。這三種恒星殘骸都沒有內(nèi)部的能源。白矮星和中子星會慢慢地冷卻、變暗，而黑洞則幾乎根本不輻射任何光線。

好在，新恒星還在不斷形成。它們一部分由原初氣體（大爆炸留下的氣體），一部分由再生氣體（其他恒星拋射出的氣體）凝聚而來。原初氣體中基本上只有氫和氦兩種元素，而再生氣體中則會包含如氧、碳、氮、鐵等其他宇宙中存在的較重的元素。不過，如果我們等得足夠久，雖然宇宙中可供凝結(jié)的氣體很多，但新恒星不斷地形成，這座氣體庫也終將枯竭，不再有任何新恒星能從中誕生出來。確實，老恒星在死亡的時候會把外層的大氣返還到星際空間當(dāng)中，這是一種“再生”；然而這種再生并不完全，仍然有一部分物質(zhì)會變成白矮星、中子星、黑洞、行星這類天體，于是物質(zhì)將被永遠鎖在里面，成為無法回到星際空間中去的“黑”天體。當(dāng)然，將宇宙中的氣體全部耗盡所需的時間長得難以想象，不過，我們的宇宙不是有的是時間嗎？宇宙的氣體庫存慢慢變少，新恒星的誕生也就變少，能夠把氣體“歸還”宇宙的臨死的恒星也變少。如果我們等待足夠長的時間，最終將沒有恒星誕生、沒有恒星死滅，原來的全部氣體都被鎖進了“黑”天體里。

在遙遠的未來，當(dāng)恒星形成不再發(fā)生的時候，照亮銀河系的將只有已經(jīng)存在的恒星。而這些恒星的壽命也都有限，它們也終將一個個死去。在1～1000萬億年后，銀河系將變成一個黑暗的地方。也許偶爾會有一團氣體足夠形成一顆新恒星，或者會有兩顆白矮星相撞發(fā)出短暫而明亮的閃光，但也僅此而已。白矮星、中子星和行星將漸漸冷卻到極低的溫度，不再發(fā)出輻射，而黑洞則一直“黑”下去。

行星系統(tǒng)和星系的崩潰

當(dāng)所有恒星不再發(fā)光，宇宙將變得一片漆黑，但引力會繼續(xù)工作著：行星仍然圍繞白矮星、褐矮星、中子星或黑洞公轉(zhuǎn)，銀河系中的這些天體則繞銀河系中心公轉(zhuǎn)。天體之間發(fā)生密近交會的機會是很少的，但如果我們等得足夠久（譬如說，1 000億年），這些偶爾發(fā)生的密近交會將足以摧毀之前存在過的任何行星系統(tǒng)。所有這些留存下來的天體將圍繞新形成的超級星系的中心運行很長一段時間，但即使它們也會受到密近交會的困擾，或者就是不小心撞向星系中心的超大質(zhì)量黑洞。在1 00,000,000萬億年后，宇宙中將不再有星系。

物質(zhì)的衰變——原子和黑洞也將消失

我們已經(jīng)討論了很長的時間尺度，不過，由于宇宙擁有“宇宙中的全部時間”，我們不妨看看，再繼續(xù)走下去，這個思想實驗將得出怎樣的結(jié)果。在極長的時間尺度上，普通物質(zhì)（原子和分子）甚至也將不復(fù)存在。一些原子，如鈾（Uranium）和钚（Plutonium），在相對短的時間里有較強的放射性（這也是它們會傷害到我們的原因）。其他原子的放射性半衰期則要長得多。在極長的時間尺度上，宇宙中所有的原子都是不穩(wěn)定的。可能在1040年左右（1后面跟著40個0?。┲螅行掖娴陌装?、中子星、褐矮星和行星都將徹底“蒸發(fā)”成為輻射。那時，宇宙里將只剩下黑洞和這些輻射。

黑洞是神秘的天體：物質(zhì)和光可以進入，但沒有什么東西能夠離開。至少，我們在學(xué)校里通常是這樣講的。嚴(yán)格來說，這樣并不完全正確，因為事實上，由于所謂“霍金輻射”（以英國天文學(xué)家斯蒂芬·霍金的名字命名）的存在，黑洞的質(zhì)量也會緩慢地流失出去。在天體物理研究中，鑒于霍金輻射極為緩慢，通常會被忽略。不過，在極長的時間尺度上，這個過程最終將會使整個黑洞完全“蒸發(fā)”成純粹的能量。一個普通的太陽質(zhì)量的黑洞蒸發(fā)掉大約需要1067年。但是由于宇宙有的是時間，而且將一直膨脹下去，所有的黑洞最終也都會消失。最大質(zhì)量的黑洞——星系中心的超大質(zhì)量黑洞，大約會在1 0106年后消失。從此，宇宙中將僅剩下輻射（或者可能還有一些中微子之類的輕子）。由于宇宙將一直膨脹下去，這些輻射將會分散到一個很大的空間里去，也就是說，宇宙的溫度將會冷卻到接近絕對零度。

經(jīng)過這一系列過程，宇宙將變成一個又黑又冷的世界，沒有任何物質(zhì)，甚至沒有黑洞。這聽起來很無聊。一些科學(xué)家思考了接下來還會發(fā)生什么——事實可能不像想象的那么無聊。讀者也許知道，有一種稱為量子漲落的效應(yīng)，是說真空中可以自發(fā)地“生”出新的粒子來。這確實是可能的，只是概率比較小罷了。如果我們等得足夠久，兩個、十個、或者一百萬個粒子都可以憑空生發(fā)出來。事實上，如果我們知道的這種量子機制是正確的，甚至整個宇宙都可能從真空中憑空誕生出來！發(fā)生這事的可能性幾乎是零，不過，宇宙是要一直永遠不停地膨脹下去的呀……

蟹狀星云是大約一千年前爆發(fā)的一顆超新星的遺跡。圖中美麗的顏色顯示了超新星爆發(fā)時拋射出的不同物質(zhì)。將來，這些物質(zhì)將成為產(chǎn)生新恒星的原料，它們將繼續(xù)照耀這個世界數(shù)百萬年。蟹狀星云的中心是一顆中子星，它正在緩慢地冷卻，發(fā)出微弱的光。中子星中的物質(zhì)將永遠地被鎖在星體里，不能再成為任何新恒星的一部分。（圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Nebula）

這一切對我們來說意味著什么？

思考宇宙將來會發(fā)生的事情，這確實是件有意思的事。但是，上面討論的這些過程都是在極長的時間尺度上發(fā)生的，遠遠長于人的壽命、人類文明的壽命、乃至太陽系和銀河系的壽命。所以，這一切對我們來說意味著什么呢？答案很簡單：現(xiàn)在可能對我們沒什么用，思考這個問題看來并不能幫助我們解決現(xiàn)在地球上遇到的任何問題。盡管如此，（科學(xué)地）思考我們的宇宙未來會發(fā)生什么，這本身或許就很有樂趣。好奇心驅(qū)使著天文學(xué)家一刻不停歇地思考著這個世界上的事情。而且，如果仔細讀了前面一段文字，讀者一定會發(fā)現(xiàn)，宇宙遙遠的將來甚至可能為宇宙的起源——大爆炸——提供一些可能的啟示！