宇宙的五个纪元与最终结局

关于宇宙的最终结局有很多假说，比如被不断增强的暗能量撕成亚原子碎片的大撕裂，熵增到最高陷入热寂的大冰冻，还有重新收缩到奇点的大反弹。哪一种假说会最后成为现实，现在还不得而知。然而，即使这些假说都没有最终实现，宇宙也将在漫长的岁月中，慢慢陷入无边的黑暗和死寂。

下文的主要内容来自Crash Course频道的视频《Deep Time》（https:///jDF-N3A60DE）

天体物理学家弗莱德·亚当斯和格里高利·拉夫林在《宇宙的五个年代》(The Five Ages of The Universe)中，把宇宙的生命分为五个纪元。我们可以沿用这五个纪元的划分，来看看宇宙的最终结局。
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图片来自Future of an expanding universe

1. 原初纪元（Primordial Era)

<img src="http://image96.360doc.com/DownloadImg/2016/05/0316/70996020_2.png" data-rawwidth="91" data-rawheight="24" class="content_image" width="91">原初纪元的范围是从宇宙大爆炸到4亿年后，第一颗恒星诞生。这个纪元已经过去了。原初纪元的范围是从宇宙大爆炸到4亿年后，第一颗恒星诞生。这个纪元已经过去了。
<img src="http://image96.360doc.com/DownloadImg/2016/05/0316/70996020_3.png" data-rawwidth="450" data-rawheight="432" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="450" data-original="https://pic4./a118d85d424e16a780d87bae8bef4313_r.png">图片来自图片来自Big Bang

2. 恒星纪元（Stelliferous Era）

<img src="http://image96.360doc.com/DownloadImg/2016/05/0316/70996020_4.png" data-rawwidth="110" data-rawheight="22" class="content_image" width="110">恒星主宰宇宙，繁星布满夜空。生活在这个时代，无疑是我们的幸运。恒星主宰宇宙，繁星布满夜空。生活在这个时代，无疑是我们的幸运。
<img src="http://image96.360doc.com/DownloadImg/2016/05/0316/70996020_5.png" data-rawwidth="685" data-rawheight="543" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="685" data-original="https://pic3./0dd47d80f59f9e9888fddf83f795fb6a_r.png">图片来自图片来自The Starry Night

恒星纪元什么时候结束呢？或者说，最后一颗恒星什么时候会熄灭呢？质量越小的恒星，寿命越长，因为它们在核聚变中把氢转化为氦的速度越慢。最小的红矮星可以持续1万亿年。在宇宙幼年时形成的红矮星到现在只用了1%的氢。从人类的角度来看，它们还是婴儿。
<img src="http://image96.360doc.com/DownloadImg/2016/05/0316/70996020_6.png" data-rawwidth="1182" data-rawheight="919" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1182" data-original="https://pic4./e539f237948f564c3235beeffb2c448b_r.png">
现在，星系还在搅拌着星云，用星云气体创造新的恒星。但是，气体终有耗尽的一天。据估计，数十亿年后星云气体的供给将会后继乏力，新生的恒星越来越少，而已经诞生的恒星会用尽燃料，一个接着一个逐一熄灭。在这以后，诸如星系碰撞之类的事件会创造一些新恒星，延长恒星创生的年代。但是，和红矮星万亿年的寿命想比，延长500亿年甚至1000亿年都没有太大的区别。

当大量恒星熄灭的时候，星系将改变颜色。现在，多数星系都表现出耀眼的蓝白色，体积庞大的明亮恒星是星系内的主要光源。当这些恒星死去，质量较低的暗恒星成为主角，星系的颜色也会随之变暗变红。
<img src="http://image96.360doc.com/DownloadImg/2016/05/0316/70996020_7.png" data-rawwidth="1084" data-rawheight="644" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1084" data-original="https://pic3./1d5ad7e4893ac5e7129be86af42ba252_r.png">
星云气体耗尽后几十亿年，星系中只有长命的红矮星还在发光。这种情况将持续1万亿年，也许更长。可能质量最低的红矮星能持续10万亿年，但是在这里10倍并不是一个太重要的数字。在宇宙悠长的生命历程中，它们只是一些统计上的小小起伏。

3. 简并纪元

<img src="http://image96.360doc.com/DownloadImg/2016/05/0316/70996020_8.png" data-rawwidth="85" data-rawheight="24" class="content_image" width="85">当最后一颗恒星熄灭，宇宙中释放能量的就只有恒星的遗骸：白矮星，中子星和黑洞。另外，还有一些棕矮星，它们的质量在恒星和行星之间。除了黑洞，白矮星和中子星都是由各种简并压力支撑，也就是说，在几万亿年以后，恒星纪元将会结束。简并纪元来临了。当最后一颗恒星熄灭，宇宙中释放能量的就只有恒星的遗骸：白矮星，中子星和黑洞。另外，还有一些棕矮星，它们的质量在恒星和行星之间。除了黑洞，白矮星和中子星都是由各种简并压力支撑，也就是说，在几万亿年以后，恒星纪元将会结束。简并纪元来临了。
<img src="http://image96.360doc.com/DownloadImg/2016/05/0316/70996020_9.png" data-rawwidth="720" data-rawheight="628" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="720" data-original="https://pic1./40147aa82ccaf355a566f5c82aad8a50_r.png">
宇宙将会变得十分黑暗，至少对人类的眼睛是如此，如果那时候还有人类的话。如果我们可以看到红外线，宇宙会明亮一些。这些天体还是比较温暖的，所以会有多多少少的红外辐射。中子星和白矮星诞生时非常热，然后慢慢冷却。冷却的速度和它们的大小有关，但是在几万亿年后，它们应该都会降到室温。所以，在简并纪元里，随着时间的流逝，宇宙慢慢变冷。

但是，这个纪元中也会有昙花一现的光明。在孤寂的宇宙中联袂起舞的白矮双星最终会走到一起。经过数万亿年，白矮双星的轨道将会由于引力波能量辐射而衰减（引力波的「直接」观测为什么很难？ - Mandelbrot 的回答），双星在合并的刹那爆发出夺目的光彩，成为超新星。同样，中子双星也会合并，爆发，形成伽马射线暴，它们的亮度将超过1000个星系。但是，这只是短暂的事件，宇宙很快回归黑暗。
<img src="http://image96.360doc.com/DownloadImg/2016/05/0316/70996020_10.png" data-rawwidth="840" data-rawheight="478" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="840" data-original="https://pic1./e6d4ad453d0b534177fa3a07375619f4_r.png">
有趣的是，棕矮星是更好地能量来源。棕矮双星会合并形成低质量的恒星，然后在几百亿年中为黑暗的宇宙带来一点光明。

但是，在时间面前，没有任何东西可以保持到永恒。不但对于宇宙和恒星是如此，对于微观世界中的质子也是如此。质子的半衰期是10^34年，也许更长。当质子开始衰变，物质将会分解，白矮星，中子星，棕矮星，行星，都会消融在空间中。不过，值得欣慰的是，这个过程有一个亮点。白矮星分解的时候会释放能量，功率可达400瓦（微波炉功率的一小半）。

注：白矮星此时应该已经完全冷却，成为黑矮星了

4. 黑洞纪元

<img src="http://image96.360doc.com/DownloadImg/2016/05/0316/70996020_11.png" data-rawwidth="91" data-rawheight="21" class="content_image" width="91">在10^40年以后，最后一颗简并天体也消失了，宇宙中只剩下了黑洞这一种天体。在10^40年以后，最后一颗简并天体也消失了，宇宙中只剩下了黑洞这一种天体。

宇宙进入了黑洞纪元。

在我们的印象中，黑洞是吞噬一切的无底洞。然而，黑洞可以同过一种方式产生能量 ——蒸发。20世纪70年代，史蒂芬 霍金用量子力学研究黑洞，发现黑洞确实会向外辐射能量，从而损失质量。越大的黑洞损失质量越慢。一个3倍太阳质量的黑洞（通过超新星诞生的最小黑洞），完全蒸发需要10^68年。这是一个长得近乎荒谬的时间，但是宇宙可以等待。而星系中心的黑洞要完全蒸发，需要10^92年。1后面92个0，就是下面这个数字。
<img src="http://image96.360doc.com/DownloadImg/2016/05/0316/70996020_12.png" data-rawwidth="555" data-rawheight="197" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="555" data-original="https://pic4./dc006e9e1d1060f30c12f921ce4a0737_r.png">
这个数字如此之大，我们甚至无法找到一个东西来进行类比，因为它甚至大于已知宇宙中的基本粒子的个数（10^85）。

当黑洞质量变小，它的蒸发速度就会加快。最后，黑洞会在一道闪光之后消失的无影无踪。这是黑洞纪元唯一的光。

5. 黑暗纪元

<img src="http://image96.360doc.com/DownloadImg/2016/05/0316/70996020_13.png" data-rawwidth="79" data-rawheight="23" class="content_image" width="79">最后，一切的消失了。宇宙中只剩小了能量极低的亚原子粒子和光子。这是10^92到10^93年以后。这是，我们可以有把握地说，宇宙已经死了。最后，一切的消失了。宇宙中只剩小了能量极低的亚原子粒子和光子。这是10^92到10^93年以后。这是，我们可以有把握地说，宇宙已经死了。

宇宙进入了黑暗纪元。如果时间还有意义的话，这个纪元将会延续到无穷。

6. 其他可能的结局

如果暗能量按照现在推测的那样持续增强，宇宙将走向另一个结局：大撕裂。在这个结局中，没有任何力量可以对抗空间膨胀，所有的物质都会瓦解，连原子都会被撕成碎片。大撕裂将会在黑暗纪元以前发生，但是这个结局并不比黑暗纪元更加光明。

最后，我们还有一个非常微小的希望可以得到一个光明的新宇宙。量子物理中有一个猜想，也许我们的真空并不是一个最低能量状态。就像你站在一个台阶上，而你下面还有一级台阶。

<img src="http://image96.360doc.com/DownloadImg/2016/05/0316/70996020_14.png" data-rawwidth="1062" data-rawheight="576" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="1062" data-original="https://pic3./8ca6290ce51e0f5ca0b758a7ee8cdfb6_r.png">
当宇宙在黑暗纪元中沉睡无数年以后，也许一小片空间因为不管什么原因，跌落到下一个能级——真正的真空。它会带动周围的空间纷纷跌落。这时，奇怪的事情发生了，在这些跌落的空间中，物理定律将被重写，时间和空间将被抹去。这个区域迅速扩展，留下的地方是一个新的宇宙。也许这也是我们的宇宙的来源。

这个猜想给了我们一个新宇宙的希望。这个希望虽然渺茫，但是有一丝希望，也好过在黑暗和寒冷中沉睡到无穷。