宇宙將如何終結(jié)？

史春樹

科學(xué)已經(jīng)勾畫出四種宇宙毀滅的方式。它們被稱作：大凍結(jié)、大崩塌、大變動和大撕裂。別驚慌，我們的星球確實在劫難逃，只是要等一段時間。大約在60億年后，當(dāng)瀕死的太陽膨脹成一個紅色的巨星吞噬我們的星球時，地球有可能蒸發(fā)殆盡。但是，地球只是太陽系中的一顆行星，太陽只是星系中成百上千億恒星中的一顆，而在可觀測到的宇宙中有幾千億個星系。等待這一切的命運會是什么？這個宇宙將如何終結(jié)？

科學(xué)家對宇宙終結(jié)將如何發(fā)生遠(yuǎn)未達(dá)成統(tǒng)一意見。我們甚至都不確定宇宙是否會走向確鑿無疑的終結(jié)，或只是慢慢地萎縮。物理學(xué)界目前指出了最終的宇宙大災(zāi)難有幾種可能性，并提出人類有可能生存下來的一些線索。

熱寂就要降臨

宇宙終結(jié)的第一個線索來自于熱力學(xué)。它就好比在街上布道的狂熱牧師，手里舉著一張帶有警示的海報：熱寂就要降臨！

盡管名字挺嚇人，但宇宙的熱寂不是熊熊燃燒的陰曹地府。相反，它是宇宙萬物處于熱平衡中的死亡。這聽上去有些嚇人，但熱寂比燒焦成一堆焦炭要糟糕得多，因為在我們?nèi)粘Ｉ钪?，幾乎所有事物，直接或間接的，都需要某種形式的溫度差。

比如，車輛能行駛是由于引擎內(nèi)部比外部熱;電腦借助發(fā)電廠輸送的電才能運行，而發(fā)電廠可能是通過加熱水并用它來轉(zhuǎn)動汽輪機發(fā)電;人類汲取依靠太陽與宇宙間的巨大溫差生長的食物才得以生存。

然而，一旦宇宙達(dá)到熱寂狀態(tài)，所有空間的所有事物將是同樣的溫度，這就意味著沒有任何有趣的事情會發(fā)生。

每顆星球都將會死去，幾乎所有的物質(zhì)將會腐爛，最終，所有剩下的物質(zhì)將會是稀稀落落的粒子和輻射。甚至，它們的能量也將會通過宇宙的膨脹，隨著時間的推移而衰竭，使所有物質(zhì)處于高于絕對零度幾分之一度的狀態(tài)。在這種“大凍結(jié)”中，宇宙均勻地處于寒冷、死亡和空寂的終結(jié)狀態(tài)。

要么膨脹要么收縮

隨著熱力學(xué)在19世紀(jì)初期的發(fā)展，熱寂理論看上去像是宇宙終結(jié)唯一可能的方式。但100年前，愛因斯坦的廣義相對論提出宇宙有著更具戲劇性的命運。

廣義相對論認(rèn)為物質(zhì)和能量可以彎曲時間和空間。時間、空間跟物質(zhì)、能量的這種關(guān)系類似于舞臺跟演員之間的關(guān)系。按照愛因斯坦的說法，宇宙中的這種東西決定了宇宙本身的最終命運。

這一理論，預(yù)言宇宙作為整體要么膨脹要么收縮。愛因斯坦在1917年就認(rèn)識到了這點，但他并不愿意相信，以至于他回避了自己的理論。

1929年，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)了宇宙在膨脹的確鑿證據(jù)。愛因斯坦改變了想法，把自己以前堅持認(rèn)為宇宙是靜止的觀點稱之為一生事業(yè)中“最大的錯誤”。

如果宇宙一直在膨脹，那么它以前肯定比現(xiàn)在要小。這個認(rèn)知產(chǎn)生了宇宙大爆炸理論：宇宙開始于一個令人難以置信的小東西，然后又以令人難以置信的速度膨脹。甚至今天我們也能在宇宙微波背景輻射中看到大爆炸的“余燼”——來自于空間中全方位的持續(xù)不斷的無線電波。

那么，宇宙的命運就取決于一個非常簡單的問題：宇宙是否會繼續(xù)膨脹？以多快的速度膨脹？

對于一個含有正常“填充物”的宇宙來說，比如物質(zhì)和光，關(guān)鍵在于量的多少。更多的填充物意味著更多的重力。重力把所有物質(zhì)往一塊聚攏，減弱膨脹的速度。只要填充物的數(shù)量不超過臨界點，宇宙將會繼續(xù)無休止地膨脹，并最終達(dá)到熱寂狀態(tài)，冰凍而死。

但如果填充物過多，宇宙的膨脹會減速和停止，宇宙便開始收縮。一個收縮的宇宙會變得越來越小，越來越熱，越來越密，最后終結(jié)于一個密度令人難以置信的地獄，類似于宇宙大爆炸的反面，稱之為“大崩塌”。

臨界狀態(tài)，前途未卜

在20世紀(jì)的大部分時間里，天體物理學(xué)家們并不確定哪種情景會呈現(xiàn)。是“大凍結(jié)”還是“大崩塌”？是冰還是火？

他們進行了一次宇宙普查，把宇宙中的所有物質(zhì)累加起來。結(jié)果顯示我們正奇怪的處于某種臨界狀態(tài)，前途未卜。

直到20世紀(jì)末，所有的一切都改變了。1998年，兩支相互競爭的天體物理學(xué)家團隊做出了驚人的宣布：宇宙的膨脹正在加速。

正常的物質(zhì)和能量無法使宇宙產(chǎn)生如此行為。但是一種全新的能量，“暗能量”，其行為與宇宙中所有其它的物質(zhì)都不同。宇宙中大約70%的能量都是暗能量，而且每天都在增加，暗能量在撕裂宇宙。

暗能量的存在意味著宇宙中物質(zhì)的數(shù)量并不能決定它的最終命運。自時間初始以來，暗能量就在控制著宇宙，一直加速著宇宙的膨脹。這使得大崩塌不可能發(fā)生，也不意味著大凍結(jié)無可避免。暗能量使宇宙存在了一定的變量，或許會形成宇宙最怪異的命運。

人類、行星、甚至恒星自己會在此“大變動”中遭到毀滅。在1980年的一篇論文中，物理學(xué)家西德尼·科爾曼和弗蘭克·德·盧西亞把它稱之為“終極的生態(tài)災(zāi)難”。

“大崩塌”會給我們的宇宙帶來一次熾烈的終結(jié)

雪上加霜的是，大變動之后，暗能量的行為會有所不同。暗能量不會驅(qū)使宇宙加速膨脹，而會使宇宙向內(nèi)收縮，形成“大崩塌”。

幻影暗能量

還有第四種可能性，暗能量又是“關(guān)鍵先生”。暗能量也許比我們想象的更有威力，也許有能力獨自終結(jié)宇宙，而無需借助“大凍結(jié)”、“大崩塌”或“大變動”。

暗能量有一種特別的屬性，即隨著宇宙的膨脹，它的密度維持不變。這就意味著隨著時間的推移，更多的暗能量出現(xiàn)了以匹配日益膨脹的宇宙。這非同尋常，但并未破壞物理學(xué)的任何法則。

然而，它可以變得更加詭異。隨著宇宙的膨脹，如果宇宙中暗能量的數(shù)量增加得比宇宙本身的膨脹還要快，那該怎么辦？

這個理論是由新罕布什爾州漢諾威的達(dá)特茅斯學(xué)院的羅伯特·考德威爾提出的。他稱之為“幻影暗能量”。它將導(dǎo)致宇宙走向一個非常奇怪的終極命運。

如果幻影暗能量存在的話，悲催的一面是我們的最終滅亡就會像《星球大戰(zhàn)》電影里警告的一模一樣。

目前，暗能量的密度很低，遠(yuǎn)比地球上物質(zhì)的密度要低，甚至低于銀河系的密度（銀河系比地球的密度低很多）。但隨著時間的推移，暗能量會聚集，并最終撕裂宇宙。

在一篇2003年的論文中，考德威爾和他的同事勾畫了一種他們稱之為“宇宙末日”的場景。一旦幻影暗能量的密度變得比某個特殊的物體更密，此物體就會被撕裂成碎片。

首先，幻影暗能量會撕開銀河系，使組成銀河系的恒星在宇宙中飄蕩。其次，太陽系會被松綁，因為暗能量的撕扯會比太陽對地球的引力更加強大。最終，狂亂的幾分鐘后地球?qū)⒈?。然后，原子在一眨眼的功夫就自身粉碎，接著是宇宙自身撕裂?？嫉峦柊阉凶觥按笏毫选薄？嫉峦柍姓J(rèn)“大撕裂”的理論聽上去有些古怪，有些科幻。

不過，基于我們對宇宙膨脹的觀察和粒子物理學(xué)的實驗，宇宙的終極命運似乎更可能是大凍結(jié)，接踵而來的可能是大變動和最終的大崩塌。

我們能夠生存下來嗎？

這是一幅非常黯淡的未來畫卷——永世無窮盡的寒冷和空無，最后被真空衰變和最終的內(nèi)爆轉(zhuǎn)變成虛空而終結(jié)。那么，宇宙有沒有可能逃避這樣的宿命？抑或是我們注定要在宇宙終結(jié)時的晚餐桌上迎接滅亡？

當(dāng)然，我們作為單獨的個體沒有任何理由為宇宙的命運擔(dān)憂。除了大變動的時間難以預(yù)料之外，所有這些假想的事件尚有好幾萬億年，因此它們并不是迫在眉睫的難題。

宇宙微波背景輻射圖

“大撕裂”將撕裂行星和恒星

同樣，也沒有任何理由為人類擔(dān)心。不出意外的話，遺傳漂變（是指一個族群中的生物個體的數(shù)量較少時，下一代的個體容易因為有的個體沒有產(chǎn)生后代，或者是有的鄧偉基因沒有傳給后代，而下一代有不同的等位基因頻率。一個等位基因可能因此在這個族群中消失）將使得我們的后代變得跟今天的我們完全不一樣。那么，任何具有智慧情感的生物，無論是人類還是其他物種，能夠生存下來嗎？

美國普林斯頓高等學(xué)術(shù)研究所的物理學(xué)家弗里曼·戴森在1979年發(fā)表的一篇經(jīng)典論文中探討過這個問題。那時，戴森認(rèn)為生命體可以改造自身進而在“大凍結(jié)”中幸存。戴森認(rèn)為，逃過“大凍結(jié)”要比經(jīng)歷地獄般的“大崩塌”容易得多。

時至今日，由于暗能量的發(fā)現(xiàn)，戴森對于這個問題的看法已經(jīng)不如往日樂觀。加速膨脹意味著我們將最終失去與絕大部分星系之間的聯(lián)系，從而大大限制我們能夠獲取的能源數(shù)量。戴森表示：“從長遠(yuǎn)來看，這是一種非常令人悲催的情形。”

然而，情況仍有可能發(fā)生變化。戴森指出：“我們目前仍然無法確定這樣的膨脹是否會一直持續(xù)下去，因為我們還不理解宇宙為何會加速膨脹。比較樂觀的觀點是，隨著宇宙變得越來越大，這樣的加速終將減緩。那樣的話，我們的未來還有希望。”

可是，如果宇宙的膨脹沒有減速又會發(fā)生什么情況呢？對此，一些物理學(xué)家給出了自己的解決方案：要想逃離宇宙終結(jié)的命運，我們應(yīng)該在實驗室里創(chuàng)造我們自己的宇宙，然后縱身跳進去。

這些物理學(xué)家中的一位是美國麻省理工學(xué)院的阿蘭·古斯，他是研究早期宇宙方面的著名專家。古斯教授表示：“我無法確信物理學(xué)定律會支撐這樣的做法。如果可能，那么這也將需要極高的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們目前能夠預(yù)見的技術(shù)水平。它也將需要巨大的能量進行創(chuàng)造和控制。”

按照古斯的設(shè)想，第一步是創(chuàng)造出一種密度極高的物質(zhì)——高到介于崩塌為黑洞的臨界點。如果能夠以正確的方式實現(xiàn)這一步，并迅速清空該區(qū)域內(nèi)的其他物質(zhì)，我們或許就有可能迫使這一空間區(qū)域快速膨脹。

實際上，你此時已經(jīng)開創(chuàng)了一個全新的宇宙。隨著該區(qū)域空間的膨脹，宇宙的邊界將會收縮，形成一個扭曲的空間“氣泡”。這一空間的“里面”要比“外面”更大。

最終，外部的世界完全收縮成一片虛空，新生的嬰兒將擺脫“舊”宇宙的束縛，使我們免于將要面臨的任何厄運。

不過，基于當(dāng)前的認(rèn)識水平，我們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法確定這樣做是否真的可行。

古斯是最早提出早期宇宙曾經(jīng)在幾分之一秒時間內(nèi)經(jīng)歷過一次極高速膨脹的科學(xué)家，即 “宇宙暴漲”理論。許多宇宙學(xué)家都相信暴漲理論是目前解釋早期宇宙中各類現(xiàn)象的最佳理論。而古斯所設(shè)想的創(chuàng)造一個新宇宙的計劃正是基于重現(xiàn)這樣的暴漲。

暴漲對宇宙的終極命運有著奇妙的影響。該理論認(rèn)為我們所處的宇宙僅僅是所謂“多重宇宙”中的一個。它有著一個永恒膨脹的“背景”，并且在不斷孵化出像我們所處的宇宙這樣的“袖珍宇宙氣泡”。

大爆炸：宇宙的誕生

古斯表示：“如果情況的確如此，那么即便我們確信每一個單獨的宇宙‘氣泡’最終凍結(jié)死去，但多重宇宙作為一個整體將會永生，在每一個新的‘宇宙氣泡’中都有新的生命產(chǎn)生。在這樣的景象之中，盡管單個的宇宙‘氣泡’會不斷的生生死死，多重宇宙作為一個整體是真真正正的永恒！”