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揭开宇宙末日的秘密

2011-03-27  在宇宙的...
揭开宇宙末日的秘密

作者 Stephen Battersby

李茂全译自《新科学家》
第2485期,2005年2月5日,第31页


  宇宙的未来和人们过去想的不一样。宇宙学家们曾相信他们知道宇宙将怎样终结:它会逐渐衰弱。变的更冷,更暗淡的宇宙中逐渐只剩下一度发光的恒星的灰烬。这些想法现在已经成为历史了。

  最新的研究表明宇宙可能有很多种不同的未来。宇宙死亡和重生的循环是很可能的,或者,当宇宙的真空突然变成某种完全不同的物质时,宇宙可能会有一个非常奇特的结局。宇宙可能在一次大坍塌中向内塌缩,或者我们将迎来另外一种更加暴力的结局,它称为大撕裂。慢慢陷入黑暗仍然是一个处于竞争地位的理论,但是恐惧却不是:漫长的黑夜将会比你想象的有趣一些——想象一下到处是巨大的钻石的宇宙,你就大概知道结局将是什么了。

  为什么突然出现了这么多结局的可能性?直到最近,宇宙中的支配性的力量看来仍然是恒星和其他物质之间的引力。这就意味着宇宙的未来只有两种可能,要么宇宙的密度大到使引力能够克服大爆炸以来的膨胀并且把所有的物质在一次大坍塌中重新拉到一起,成为“大坍塌”,要么宇宙的密度不足够大,膨胀将会永远持续下去。

  过去大部分科学家相信后者更有可能。在1998年,天文学家们惊呆了:他们发现宇宙的膨胀根本没有变慢,反而正在加速。对从遥远的超新星来到地球上的光的研究表明有种力量正在加速60亿年前气体的速度。这个发现似乎封印了我们的命运,向我们宣判了一条迅速通往湮没的道路。这种加速意味着宇宙将会以比我们想象的快的多的速度变得更冷和单调。

  但是科学家们现在认为预言这种黯淡的前景还为时太早,因为还没有人知道什么导致了这种加速。天文学家称这种神秘的力量为“暗能量”,但是它的起源和性质仍然是个迷,怎么才能知道它将来会起什么样的作用呢?哈佛大学的Max Tegmark说,“人们开始意识到只要我们还没弄清楚暗能量究竟是什么,我们就不能太过于自信。”

  尽管长期预报仍然有争议,天文学家们却对我们的宇宙邻里关系在较近的未来会怎样有一致的看法。在60亿年后事情会相当不妙,那时太阳将会膨胀为一颗红巨星,它会蒸干地球上的海洋甚至吞下地球,随后它会耗尽核燃料,收缩成一个和地球差不多大的白矮星。如果那时地球仍然存在的话,它将会变的很冷,空气中的氮气会凝结成氮冰覆盖在地球的表面。至少景色会很可爱:被红巨星吹向太空的气体在白矮星发出的紫外线激发下发光,地球将会被包围在五彩缤纷的星云中。

  宇宙可能在一次大坍塌中向内塌缩,或者在另一种更加暴力的结局中被撕的粉碎。慢慢陷入黑暗也仍然是有可能的,就算是这种结局也非常刺激。
  我们的银河系也正在走向一个艰难时期:我们正在飞向另一个更大的螺旋星系,叫做仙女座星系,在大约30亿年后两者可能会碰撞。融合过程将会暂时创造出一个明亮的结构复杂的混血星系。一系列恒星被抛散,星系中大部分游离的气体也将会被压缩产生新的恒星。

  大约再过几十亿年后,星系的旋臂将会消失,两个螺旋星系将会融合成一个巨大的椭圆星系。除了临近的小星系在被吞噬时喷发一些气体外,大部分自由气体都已经被用尽了,因此新诞生的恒星就很少了。

  我们的银河系和仙女座星系的碰撞将会有一个惊人的高潮。在银河系的中心是一个质量超过太阳3百多万倍的巨型黑洞,仙女座星系中心的黑洞大约有银河系中心黑洞的10倍大。两个黑洞最终都会落到新的星系的中心,它们会互相螺旋接近然后融合。这个过程将会释放惊人的能量,发出强烈的光、X射线和引力波脉冲,引力波脉冲将会压缩和拉伸每一个恒星和行星。

  向宇宙深处看去,我们将看到其它的星系正在远离我们所在的这个椭圆星系,并且被暗能量之手牵引得更快。加速会持续多久呢?这就取决于暗能量的性质了。例如,也许其能量密度随时间减弱。那可能会产生一些非常极端的后果:一些科学家提出一种宇宙模型,其中暗能量逐渐变成负的。正的暗能量具有负的引力也就是斥力,负的暗能量和普通物质一样具有正的引力。

  如果那种情况确实在我们的宇宙中发生,就会有一些极端的后果。首先,宇宙膨胀的加速会减小,然后暗能量开始刹车。宇宙的膨胀终将停止,然后开始收缩。星系会互相靠近,最后以很高的速度互相碰撞。最后所有的物质会在一次大坍塌中撞击到一起,密度和温度都极高,就像是宇宙最初的大爆炸的反转。

  当然,这些都还很遥远。对遥远的古老的超新星——它们描绘了宇宙膨胀的历史——的观测表明,如果暗能量正在衰弱的话,它也不会变化的很快。斯坦福大学的Andrei Linde计算出我们的宇宙距离大坍塌至少还有250亿年,几乎是宇宙现在年龄的两倍。

即时的革命

  实际上空无一物的空间仍然有能量就暗示了它可能是不稳定的,它可能在任何时候跃迁到完全不同的状态。如果真空可以进入更低能量的状态,那么何时衰变就只是时间上的问题了,我们无法提前得到警告。某个地方的真空会砰然衰变,然后包含新状态的真空的“气泡”会以光速变大直到吞噬整个宇宙。

  如果它真的发生了,没有人知道空间会变成什么样子,但是可以肯定的是和现在很不一样。例如,斯坦福大学的Andrei Linde提出了一个基于弦论的模型,其中空间有六个额外的空间维度,它们紧紧的缠结在一起以至于我们无法观察到。在Linde的模型中,发生真空衰变时,这些额外的维度会解开。我们会忽然发现我们处在一个九维空间的宇宙中。因为无法存在稳定的结构,这么一个高维度的宇宙几乎一定会死去。其它类型的真空衰变可能会导致更有趣的未来。

  幽灵的威胁

  但是更可怕的终结可能正在等着我们。2003年,新罕布什尔州达特矛斯(Dartmouth)大学的Robert Caldwell提出了相反的观点,那就是暗能量可能会变得更强。暗能量的这个奇特的味被成为幽灵能量。空间的扩张使幽灵能量增强,增强的幽灵能量使空间扩张的更快,这导致了他称之为“大撕裂”的破坏性的正反馈。

  如果Caldwell的看法是正确的,大概400亿年后危险就会来临。它可能是宇宙学家所能想到的最值得注意的世界末日。很象Douglas Adams在《宇宙末日的餐馆(The Restaurant at the End of the Universe)》这篇小说中描述的场景。

  在末日前大约6000万年时,幽灵斥力将会强到足以撕开我们的银河系。末日前大约几个月时,表演正式开始了。假如这时我们站在一个和现在差不多的太阳系中,我们首先会发现外层行星一个一个的远离,然后我们生存的地球也会离开太阳。末日前的一个小时的时候,太阳将会爆炸。数分钟后,地球也会被撕碎。我们最多只能观察到末日前几分之一秒。末日前10-19秒时分子和原子被撕碎——我们大概看不到那个时候——幽灵斥力将会超过电磁力。很遗憾我们不可能亲眼看到随后原子核、质子和中子的分解。

  在大坍塌中,所有的物质都会被压碎变成超热、超高密度的辐射之海,这当然是人类无法忍受的。
  对暗能量来说这些都不奇怪。最保守的理论——宇宙学家称其为香草味的——认为给定体积的真空具有与生俱来的的固定的能量,通常被称为宇宙常数。很多科学家坚信正是这种暗能量加速了宇宙的膨胀。粒子物理学家甚至能够对此部分解释:根据量子力学,无数一闪即逝的亚原子粒子在真空中持续产生和消失,它们的能量的加起来是某个值。他们的困难在于解释只有大约1纳焦耳(10-9J)每立方米的观测值。他们知道这些粒子的能量如何互相抵消或者累加到一个相当大的数值,但不是一个接近零的数。

  然而,在宇宙学家中最为了解的暗能量的味是这样的。如果暗能量是固定不变的,我们的宇宙将会在大坍塌和大撕裂之间维持临界状态并且保持非常长的时间。这种中间道路的未来将漫长而孤独。

  加速度会使大部分宇宙很快脱离我们的视界,加速膨胀将带走其他星系,我们不再能看到它们。因为它们发出的光会象车子上蹒跚的乌龟一样被向后拖走以至于不再能到达我们这里。根据密立根大学的Fred Adams的计算,所有其他星系将会在几千亿年后脱离我们的视界。

  随后我们会变的很孤独,可观测的宇宙将只包括我们椭圆形的银河系,而且比现在黯淡的多。仍然有少量游离的气体会产生新的恒星。Adams计算出经过大约一百万亿年后气体会被耗尽,这时所有核能恒星都会熄灭,只有褐矮星仍会发出微弱的红外辐射,它们太小了以至于无法启动它们核心的聚变反应。

  其它恒星将会死去,变成致密的残余物——黑洞、中子星和逐渐老化变成黑色的白矮星。我们的太阳也会变成这种黑矮星的一员。成为一个碳的单晶体,就像一个超高密度的钻石,表面温度低到可以触摸。

  偶尔会有褐矮星碰撞在一起形成一个新的恒星,或者黑洞撕碎了一个恒星的残骸时会有闪光打破黑暗。大约每一万亿年会有两个较重的黑矮星会撞击到一起爆发成一颗超新星。

  偶尔会有恒星在一次近距离遭遇另外一颗恒星后被扔出星系。在大约1020年后整个银河系会解体。

  现在我们可观测的宇宙分解成一群漫游的死星,松散的环绕着一个被暗物质云包围的巨大的黑洞。如果地球的残骸仍然存在,暂时它会跟在一个曾经叫做太阳的黑矮星后面。但是这个系统将会通过辐射引力波的方式损失角动量,地球的残骸将会螺旋接近并且撞击到太阳上。

  这时暗能量仍然起作用。每颗恒星都会看到它昨日的伙伴们逐渐离开它的视界,一个接一个的消失。我们的黑矮星最后将生存在只有它自己的宇宙里。

  在那之后的情况如何,有很多的推测。这里是最好的一个推测。粒子物理学家认为质子是不稳定的,它们能够生存大概1033到1045年。当质子衰变成组成它们的夸克时,所有的黑矮星、中子星和行星都会崩溃,只剩下游离的光子、中微子、电子和正电子。甚至黑洞也会以霍金辐射的方式蒸发,尽管这个过程相当漫长。比如我们银河系中心的黑洞会足以蒸发1086年。

  然后呢?暗能量将仍然在这些灰烬上发挥作用。有一天,每一个粒子都会发现它的世界孤独无比。


  淡出

  在大坍塌、大撕裂和孤独的死亡外还有第四种可能,很象第三种但是不那么荒凉。在宇宙模型中,有些种类的暗能量的强度逐渐减弱,但是始终不会变成负值。它们中有大爆炸以来就存在的时空缺陷和一种被称为“第五元素”(quintessence)的能量场。就像宇宙常数一样,它们会给我们带来一个没有群星闪耀,所有的物质都会分解成基本粒子云的寒冷的未来。然而,加速最终可能停止,所以它不会把所有的粒子相互隔离。或许相互作用仍然存在,虽然非常缓慢,某种适应寒冷的生物仍然可能生存(新科学家, 2002年8月3日, 第28页)。

宇宙的未来
宇宙的未来,点击图片放大
  为了知道我们宇宙的未来将会走哪条道路,天文学家们正在试图发现暗能量的性质。如果它们能够弄清楚在过去宇宙是怎样扩张的并且能够明白暗能量是由什么构成的,我们就会获得关于未来的线索。

  最有用的线索来自遥远的Ia型超新星爆发。这类超新星的辐射功率总是相同的,所以只要测量它们的视亮度和它们的距离就能知道从它们爆发以来空间膨胀了多少。天文学家们正在从地面观测中搜集越来越多的数据。尽管被布什总统的月球和火星计划推迟了,计划中的名叫SNAP的太空望远镜将要升空并观察几千颗Ia超新星(新科学家,2003年4月5日,第30页)。

  作为对超新星观测的补充,其他一些天文学家正在利用星系了解暗能量的过去。因为暗能量部分抵消了物质之间相互吸引的趋势,它的强度会影响宇宙历史不同阶段形成的星系群的数量。通过观测足够数量的古代星系群以弄清楚这段历史,最有帮助的计划是将在2011年启用的大口径综合巡天望远镜。

  观测结果可能会告诉我们未来将是什么样子。未来可能就是坍塌、撕裂或者蒸发之一。但是实际上这些都不一定是最后的结局。宇宙甚至生命可能在以上任何一种灾难中幸免于难。

  在大坍塌中,万物都会被压缩到一个高热、高密度的辐射的海洋中。当然这对人类是不适宜的。但是没人知道当物质在那种高温下的遵循哪样的物理学原理,所以很难预测那时的宇宙会变的怎样。Linde认为“重新膨胀是可能的”。甚至在20世纪30年代的物理学家们就有这种想法了。如果宇宙可以反弹,那么创造我们的大爆炸后面可能接着就是一次大坍塌。每次大坍塌又导致了下一次大爆炸,如此反复。

  黑洞病

  这是一个诱人的想法,但是也有它的漏洞。振荡的宇宙容易患上黑洞病。坍塌形成黑洞,每次循环中黑洞都会长大。密立根大学的Katherine Freese说:“这些黑洞会越来越大直到吞下整个宇宙”。但是她也许有治疗的办法。Freese和同校的Matthew Brown和纽约布法罗大学的William Kinney一起构造了一个新的对黑洞病免疫的振荡宇宙模型。

  很奇特,药方居然是一次大撕裂。一剂幽灵暗能量能撕裂任何物质,甚至是黑洞——把它们有效地蒸发掉。这个治疗方法听起来比(黑洞)病更糟糕。但是实际上大撕裂是能够补救的。这个疯狂的主意是基于“膜宇宙”模型这个伟大的假说。在这个假说中,我们的基于三维空间一维时间的宇宙就像是漂浮在一个高维空间里面的一张膜(新科学家,2001年9月29日)。

  在新的模型中,当幽灵能量暴涨到导致撕裂时,它会扰乱我们的膜外更高维空间的场。这些场会把幽灵能量转化成负的,使我们的宇宙开始再次坍塌。尽管所有的恒星、行星和其他结构在撕裂前都消失了,但是新的物质会在坍塌中被创造出来。如果那时有天文学家,他们将能看见时间倒转,并且发现一种“大修补”。

  然后,当宇宙接近大坍塌的时候,普通物质的能量密度和辐射暴涨。在更高维空间中的场再次起反作用,使收缩发生反弹产生一次新的大爆炸。尽管这些都不过是人为的假设,但是它至少说明了有这种可能,就是坍塌和撕裂都不必然是宇宙万物的终结。

  Freese猜测他的宇宙模型最后会耗尽精力停止反弹。与之相反,普林斯顿大学的Paul Steinhardt 和剑桥大学的Neil Turok提出的“大火灾”宇宙模型(ekpyrotic,由希腊单词“大火”而来)认为宇宙是永恒的。这是另一种膜宇宙模型,在这个模型中我们的膜并不是唯一的,在五维空间中不到一毫米外还有另外一个宇宙,它们会象一对铙钹一样不时碰撞。在碰撞时它们的动能转化为强烈的辐射,被我们称为大爆炸。

  批评者们指出当膜碰撞时,物质的密度达到无穷大,平衡会被打破,这种理论就没多大意义了。Turok和他的合作者发表了一片论文,用M理论(弦理论的老大哥)证明这种情况不会发生,但是他们的理论目前还有争议。

  我们怎样才能有机会在膜的碰撞中逃生呢?此时任何物质世界的粒子都会暂时脱离物质形态并且以光速飞离。不要担心,生命仍然有可能逃生。“我们需要找到一种方法用辐射保存我们所有人的记忆和其他信息。如果你能想象出制造一种完全用光制成的计算机,你就可能够把这些信息在大爆炸中保存下来并且在爆炸后恢复。”

  在Freese的撕裂和坍塌中可能有一种类似的逃生路线——在一个根本层次上信息被保存了下来,可以想象有种办法可能把我们编码到下一轮的创世中。即使是在漫长的暗能量常量缓慢衰减的中,宇宙仍然有可能重新创造自己(见“量子重生”)。谁说我们不能永生呢?

量子重生

  即使我们面对一个宇宙常数把我们沦为一堆孤立的粒子的未来,也不是没有希望。量子力学告诉我们任何系统都会有涨落。能量场会随机涨落,真空中会自发的出现粒子。大的涨落非常罕见,你需要等非常长的时间等一些大的东西随机出现,比如完整的原子或者分子。

  如果我们的未来是无限的,时间就不是问题了。最终,任何物质都有可能自发的出现,大部分都是没有意识的物质。但是非常少的一部分会是人、行星、星系甚至5哩长的你的左臂的黄金模型。密立根大学的Katherine Freese说,“在无限的时间中,我会重新出现,虽然听起来很疯狂,但这是真的。”

  怎样等到全新的宇宙呢?芝加哥大学的Sean Carroll认为随机涨落可能触发新的大爆炸(新科学家,2004年8月21日,第34页)。他甚至计算出等多长时间可以遇到这种大爆炸,大概101056年,就是1后面跟上1056个0。

  这让我们见过的任何时间尺度都显得渺小——甚至很难用传统的写法把它写下来。难以想象哪种生物能够活得足够长等到新的宇宙。除非他能找到一种技术触发新的大爆炸,重新启动宇宙的生死循环。


  需要承认,所有这些预测都是局域的。它们只适用于我们可见的宇宙范围。很有可能宇宙真是无限的。在我们的观测范围之外,情况可能很不同,甚至是物理常数也可能不一样,这些区域有些可能更持久。在有些模型中,一个无穷大的宇宙不断的产生新的大爆炸。

  这些理论没有一个能性想到我们,或者对我们的未来有什么影响,除非我们什么时候能够在时空中操纵虫洞,挖凿通向自由的通道。当一个老的宇宙退休的时候,就搬到宇宙的一个新区域去。但是,即使我们无法逃离我们自己的星系,至少可以安心的认为宇宙本身是永存的。 end


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