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从生到死,宇宙走过五个时代

2021-10-25  大科技杂志社   |  转藏
   

我们的宇宙未来会怎样,在很大程度上,取决于对质子是否会衰变这个问题的回答。物理学家弗雷德·亚当斯和天文学家格雷格·劳克林在假设质子会衰变的基础上,将宇宙按时间划分为了五个阶段,它们分别是:

原始时代(-50<n<5)、恒星时代(6<n<14)、退化时代(15<n<39)、黑洞时代(40<n<100)和黑暗时代(n>100)。其中,n表示宇宙学的10年,即大爆炸后的10n年。

原始时代

我们的宇宙诞生于一个奇点。在10-50(10的负50次方)秒之后,宇宙与生俱来的、最初的“超力量”一分为四,产生了四股力量——引力、强核力、弱核力和电磁力。这就是“宇宙大爆炸”。

在诞生之初,宇宙中充满了高能量辐射,别无他物。这是宇宙混沌、原始时代。宇宙微波背景辐射就来自大爆炸之后的38万年,在当时的超高温下,中性原子根本无法形成。

很久之后,随着宇宙逐渐冷却,最简单的原子——氢和氦开始形成,弥漫于整个宇宙空间,这是组成恒星的原材料。

时空一直在膨胀,不断扩大地盘,同时也一直在冷却,一些分子云开始坍塌,直到它形成有史以来的第一批恒星。

虽然不断冷却,但对于生命来说,那仍然是一个高热的时代,同时,宇宙还还没有锻造出碳、硅这样的重元素,生命还无法生成并存在。

恒星时代

我们现在所处的时代。

当宇宙进入恒星时代,炙热的氢气云被压缩成了圆形的、明亮的恒星,这是宇宙中的第一代恒星。大爆炸后,宇宙最先产生的只有三种元素:氢、氦以及微量的锂,第一代恒星可能就是仅由这些元素组成的。

这些庞大恒星的质量比太阳大了100倍,甚至更多,不过它们的寿命很短。相较于太阳100亿年的预估生命,这些恒星诞生大约100万年之后就爆炸了,并且以超新星爆发这种非常壮丽的方式结束生命。

超新星爆发都极其明亮,过程中所突发的电磁辐射经常能够照亮其所在的整个星系,并可持续几周至几个月才会逐渐衰减至不可见。在这段期间内一颗超新星所辐射的能量可以与太阳在其一生中辐射能量的总和相媲美。

在这个过程中,核聚变反应产生了较重的元素,包括碳、氧和氮,这些元素在恒星爆炸时被释放到宇宙中,融入到第二代恒星里,然后又融入到包含太阳在内的第三代恒星,后来更形成了行星,甚至是人类。

我们的太阳已经是第三代恒星了,太阳的寿命可以达到100亿年之久,也有了更丰富的元素,这一切为生命的诞生做好了必要的准备。

随着太阳的成熟,其温度比它早期高了30%。随着其年龄的进一步增长,它的热量在继续增加。太阳形成后的10多亿年,地球上产生了生命。50亿年后的今天,太阳已经是一颗稳定的中年恒星了。

随着时间继续流逝,最终,我们的地球会被太阳熔化,那时地球的表面大部分将会是灼热的熔岩。那时的太阳将是一个真正的红色巨人,并保持这种状态7亿年左右,但最终,引力也会决定它的命运——它将不断冷却,并在最后变成一颗白矮星。

因为白矮星的质量只有现在太阳质量的55%。所以,到那时,地球绕太阳运行的轨道会越来越远(比现在远70%左右)。

退化时代

这个阶段,所有恒星的能量都耗尽了(变成中子星或矮星),整个宇宙的温度都极大地降低了。

对中子星和矮星(包括白矮星、棕矮星、红矮星等)来说,它们都已经没有什么热量和光芒了,因此,这个阶段的宇宙是黑暗的、冰冷的,弥漫性气体到处都是,而且黑洞的数量在不断增加。

红矮星能够存活数万亿年,比质量更大的白矮星、棕矮星都活得更久,但最终也会消亡。不过,宇宙学家测算,棕矮星之间的碰撞有可能会形成新的红矮星——在我们的银河系中,这样的稀有恒星,会形成2~3颗,这真是一个少得可怜的数字。

之所以把这个阶段称为“退化时代”,是因为在这个阶段,即使恒星不再坍缩,然而原子核中的质子也将继续衰变。恒星将像一个无助的核子,直到该核也辐射到时空中。所有恒星的命运都将是如此,直到最后一个质子发生衰变,退化时代就结束了。

黑洞时代

黑洞是球形的,对所有物质都具有威胁性,是强大引力的代表,也是此时宇宙中剩下的唯一的能源。

黑洞能统治宇宙多长的时间,取决于它们的大小。最小的黑洞寿命跟我们的太阳系一样长,而跟银河星系团一样大小的黑洞寿命则有10 117(10的117次方)年。

这个阶段的宇宙,就像一场大火洗劫过后的森林,仅有燃烧过后剩下的斑斑黑迹。曾经充满活力的星系,此时只剩下黑洞。

黑暗时代

更加遥远的未来,仅剩下非常分散的物质,宇宙的活动已急剧减少。它的能量水平很低,时空的广袤令人难以想象。

在这个时代,黑洞因为霍金辐射都已经消失殆尽了(如果质子会发生衰变,那么所有由质子构成的物质都会解体)。宇宙中只有光子、中微子、电子和正电子等在到处游荡。

由于背景辐射密度的扩散,光子将跨越数10万亿光年。在时空中漂流的电子和正电子会相遇,偶尔会形成正电子原子。然而,这些晚期形成的结构是不稳定的,它们组成的粒子最终都会湮灭。其它低强度的湮灭事件也会发生,尽管十分缓慢。

如果说宇宙在它的过去是挥霍无度的,那么,此时的它过着相对保守和低调的生活。

然而,有趣的是,黑暗时代与原始时代之间似乎存在一种奇怪的平行关系。(这是否意味着有一个新的宇宙即将开始?)此时的宇宙与年龄不到100万年的宇宙之间,虽然时间相隔甚远,却有个共同点,那就是没有任何恒星出现。

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