宇宙如何終結(jié)

何若雪

“有人說世界終于火，有人說它將毀于冰。”宇宙會如何終結(jié)？這不只是個哲學問題。宇宙學家們提出了種種猜測。

宇宙學中的一些大問題，往往也是引發(fā)哲學家深思的問題。宇宙是什么時候開始的？怎樣開始的？宇宙一直在膨脹嗎？（這三個問題的答案是：大約138億年前；一個致密熾熱的點在高密度狀態(tài)下迅速膨脹，即所謂的大爆炸；是的，但膨脹速度不總是相同。）但是還有一個問題我們目前還沒弄明白：宇宙將如何終結(jié)？

這是一個很大的問題，但科學家們已經(jīng)取得了驚人的進展。20世紀末，天體物理學界震驚地認識到，宇宙正在加速膨脹。在幾十年前，科學家們就已經(jīng)知道，遙遠的星系一直在遠離我們，離得越遠的星系遠離的速度越快。對這一現(xiàn)象唯一合理的解釋就是宇宙在不斷膨脹。考慮到宇宙中的所有物質(zhì)都在膨脹，那么在不斷增強的引力影響下膨脹的速度應該會減慢。但是當宇宙學家試圖計算這一減緩速度時，卻得到一個負值——宇宙膨脹速度在加快！

沒人知道是什么造成了這一結(jié)果，因此宇宙學家將這背后的神秘“推手”稱為暗能量。據(jù)分析，暗能量約占整個宇宙總含量的69%。暗能量很快就成為關于宇宙最終終結(jié)的所有討論的一部分。雖然還沒有明確的答案，但這些討論已經(jīng)提出了一些有趣的可能性。

大撕裂

誰也不知道暗能量到底是怎樣的，因此我們不能確定它將來會有什么表現(xiàn)。2003年，羅伯特·考德威爾提出了宇宙大撕裂假說。這個理論的基礎是，在暗能量的驅(qū)動下，宇宙膨脹的加速度會不斷增加。

想象一下，如果有一輛可以無限加速的汽車，司機一直踩著油門，汽車的速度越來越快，加速度也越來越大，最終強大的摩擦力會把整輛車子撕裂開。羅伯特認為類似的情形也將發(fā)生在無限加速膨脹的宇宙：星系將潰散；行星將脫離恒星的束縛：甚至每一個原子都被撕裂。最后，我們的宇宙將以爆炸的方式結(jié)束，并縮小為一個理論上具有無限能量的奇點。

根據(jù)現(xiàn)有的理論預測，“大撕裂”如果真的會發(fā)生，可能還要220億年才會到來。但相關理論還缺乏細節(jié)，而一些科學家的工作則為之補充了越來越多的東西。數(shù)學家迪卡茲的研究方向之一是流體在近光速運動中（這可能發(fā)生在極端天文條件下，如恒星爆炸時）的表現(xiàn)。他和同事們成功模擬了黏性流體如何以相對論速度（接近光速的速度）運動。

幾十年來，科學家們試圖將傳統(tǒng)物理學對黏度的理解與“宇宙黏度”的概念聯(lián)系起來。宇宙黏度反映了宇宙對加速膨脹的抵抗力。迪卡茲的工作有助于人們對宇宙黏度的了解。他的研究首次表明，造成大撕裂（如果真的會發(fā)生的話）的驅(qū)動力可能是宇宙黏度。

這一結(jié)果很吸引人，但迪卡茲表示要完善這一理論還需更多工作，特別是關于無限能量的部分。“在物理學中，發(fā)現(xiàn)一個無窮的量常常暗示著我們可能缺少拼圖的一部分。”他說。

進一步完善的理論也許能表明，無論大撕裂有多大，宇宙膨脹的加速度不會永遠保持不變。不過，就像另外的一些物理理論一樣，我們現(xiàn)在還只能等待更多的證據(jù)。

大凍結(jié)

現(xiàn)在一些理論認為，暗能量是一種宇宙常數(shù)，一種在整個宇宙中均勻分布的能量。如果宇宙常數(shù)在宇宙中占據(jù)主導地位，那么宇宙就不會撕裂，而是一直加速膨脹下去。這聽起來似乎很輕松，但這一過程會變得很可拍。如果宇宙在宇宙常數(shù)的驅(qū)動下一直保持勻加速膨脹，那么數(shù)萬億年后，我們在地球上將不能看到銀河系以外的其他星系——它們發(fā)出的光根本達不到地球。熵也會不斷增大——不到100萬億年后將不再有任何恒星形成，因為所有的燃料物質(zhì)都會耗盡。黑洞會蒸發(fā)，物質(zhì)最終會衰變?yōu)檩椛洹Ｔ诖酥螅钪鎸⒆兊帽洌诎担翢o生機，直到永遠。這一黑暗的未來被稱為“大凍結(jié)”。

暗能量是如此令人費解，科學家們花了近20年才對相關理論有了基本理解，這才著手設計實驗來進行研究。大凍結(jié)是否會到來？目前的研究還不能回答這個問題。（當然，如果它注定發(fā)生，我們也無能為力。）目前正在建造的大型綜合巡天望遠鏡也許將成為科學家們探尋暗能量的重要工具。這座望遠鏡將在2020年建造完成，它每晚能觀測數(shù)十億個星系，能極大地增強天體物理學家探索星系活動的能力。

通過研究重力對星系發(fā)出的光的影響和星系在空間中的位置與移動，科學家們得到的信息或許能解開有關暗能量的一些謎團：暗能量是由真空中的量子波動演變而來的嗎？或許它只是我們目前所不知的一種引力？了解這些至關重要的細節(jié)，有助于我們判斷大凍結(jié)——或者別的什么——是否會發(fā)生。

這不是終結(jié)

如果你問理論宇宙學家，宇宙將如何終結(jié)，那么他們可能會先反問你有多少選項。僅從現(xiàn)有的檢測結(jié)果看來，很難說宇宙會怎樣終結(jié)。我們確切知道的東西很少，因為在無限可能的宇宙中，任何事情都有可能發(fā)生。不過隨著暗能量概念的提出，原先一些關于宇宙終結(jié)方式的理論看起來就不太可能了。

大坍縮

大坍縮是經(jīng)典的宇宙終結(jié)理論，其理論核心是由宇宙膨脹論延伸而來的。如果宇宙膨脹不是持續(xù)的，那么在某個時間點，宇宙會因為物質(zhì)間增加的引力而停止擴張，然后開始向內(nèi)收縮。

而最終結(jié)果是整個宇宙縮成一個小小的奇點。甚至有人提出，大坍縮之后可能會發(fā)生大的反彈，即一次形成新宇宙的大爆炸。也許我們的宇宙就是在不斷的大爆炸、大坍縮和反彈中無限更迭。

不過，暗能量的發(fā)現(xiàn)完全否定了大坍縮的可能，因為它表明宇宙將永遠膨脹。 除非事實證明暗能量的性質(zhì)可以劇烈變化，否則大坍縮似乎不太可能是宇宙結(jié)束的方式。

戴森假想

關于宇宙最終命運的一個重要問題涉及它的居民：生物的智力和意識能否克服不斷增加的熵，避免“大凍結(jié)”的命運？

20世紀70年代，弗里曼·戴森是第一批使用現(xiàn)代宇宙學觀點思考宇宙終點的物理學家之一。他提出，在遙遠的未來，智慧生物可能會找出一種“欺騙”大凍結(jié)狀態(tài)的方式。首先在末日到來之前，生物需要在宇宙中存儲一定的能量；然后他們將用其中一半的能量來驅(qū)動他們的思想（高度進化的智慧生命的唯一存在形式）。這一半能源用完，生命將進入不消耗任何能源的休眠狀態(tài)，而此時他們還有能量儲備。宇宙將繼續(xù)變冷，但在一段時間后，剩下的能源儲備將開始釋放，智慧生物所創(chuàng)造的某些技術能讓他們再次開始思考。

他們最終將復活，并且不會記得那段空白的時間。他們在用完一小半儲備能量之后，帶著剩下的儲備能量繼續(xù)陷入休眠。如此無限循環(huán)，他們永遠不會面臨末日。雖然每一次循環(huán)中智慧生物清醒的時間越來越短，但是從另一方面來說，他們擁有永恒的生命。

戴森提出的永恒智能的概念不失為使文明永續(xù)的可能解決方案。但考慮到暗能量的影響，他設想的情節(jié)就不可能出現(xiàn)。在不斷加速膨脹的宇宙中，現(xiàn)在緊密相連的部分最終都將分離，而儲存其中的能量也就無法獲取。由此看來，在宇宙膨脹到一定程度之后，智慧生物將無法存續(xù)。

偽真空

當然，暗物質(zhì)也可能根本不存在。我們在考慮其他情形的時候總是假設我們所知的宇宙就是一切。但是如果我們的宇宙之外有其他宇宙的存在呢？如果我們的宇宙只是多元宇宙的一部分呢？這些其他宇宙能否影響我們自己的最終命運？

答案是肯定的。雖然我們生存的宇宙是基本均勻且各向同性的，但放眼廣闊的多元宇宙（如果存在的話），它也不過是具有自身物理規(guī)律和準則的一小部分而已。如果是這樣的話，我們的宇宙現(xiàn)在所處的狀態(tài)就是偽真空。我們錯誤地假設我們正處于最穩(wěn)定的狀態(tài)，但事實上這個宇宙有可能突然變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)。這將導致相變，類似于水在沸點時從液體變?yōu)闅怏w——只不過這次發(fā)生變化的是整個宇宙。

有科學家把多元宇宙比喻成一鍋沸騰的水，而我們的宇宙只是其中一個氣泡。每個“氣泡”都有自身的性質(zhì)和運行規(guī)則，而“氣泡”之間可能發(fā)生碰撞——從我們的視角看就是我們的宇宙撞上了別的宇宙。

這聽起來十分可怕。不同宇宙碰撞會瞬間改變一切事物的狀態(tài)，從而終結(jié)我們生存的宇宙。其結(jié)果可能是兩個宇宙的融合或者產(chǎn)生一些全新的東西。這種碰撞毫無預兆，而我們對此也無能為力。

而科學家們能做的，是找出過去是否有偽真空存在，這有助于我們推測這種碰撞是否會再次發(fā)生。這種史前的偽真空規(guī)模肯定小于我們現(xiàn)在的宇宙，而它可能保留著關于很久以前讓人感興趣的事件發(fā)生的痕跡。

一個研究團隊試圖預測這種痕跡究竟是怎樣的。他們的主要目標是宇宙微波背景（CMB）——科學家可以檢測到的最古老的光，它產(chǎn)生于宇宙140億年前。研究人員希望也許能在CMB中觀察到某個非均勻的部分，即使一個小小的光點也可能揭露很久以前偽真空存在。這樣的光點如果能被觀察到，那么它將成為多元宇宙理論的切實證據(jù)。

如果我們不能避免宇宙末日，至少我們要先了解它。