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深度長文:我們的宇宙演化可分為五個紀元,最終将會走向何處?

作者:宇宙探索

關于宇宙的最終結局有很多假說,比如被不斷增強的暗能量撕成亞原子碎片的大撕裂,熵增到最高陷入熱寂的大冰凍,還有重新收縮到奇點的大反彈。哪一種假說會最後成為現實,現在還不得而知。然而,即使這些假說都沒有最終實作,宇宙也将在漫長的歲月中,慢慢陷入無邊的黑暗和死寂。

天體實體學家弗萊德·亞當斯和格裡高利·拉夫林在《宇宙的五個年代》(The Five Ages of The Universe)中,把宇宙的生命分為五個紀元。我們可以沿用這五個紀元的劃分,來看看宇宙的最終結局。

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1. 原初紀元(Primordial Era)

原初紀元的範圍是從宇宙大爆炸到4億年後,第一顆恒星誕生。這個紀元已經過去了。

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2. 恒星紀元(Stelliferous Era)

恒星主宰宇宙,繁星布滿夜空。生活在這個時代,無疑是我們的幸運。

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恒星紀元什麼時候結束呢?或者說,最後一顆恒星什麼時候會熄滅呢?品質越小的恒星,壽命越長,因為它們在核聚變中把氫轉化為氦的速度越慢。最小的紅矮星可以持續1萬億年。在宇宙幼年時形成的紅矮星到現在隻用了1%的氫。從人類的角度來看,它們還是嬰兒。

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現在,星系還在攪拌着星雲,用星雲氣體創造新的恒星。但是,氣體終有耗盡的一天。據估計,數十億年後星雲氣體的供給将會後繼乏力,新生的恒星越來越少,而已經誕生的恒星會用盡燃料,一個接着一個逐一熄滅。在這以後,諸如星系碰撞之類的事件會創造一些新恒星,延長恒星創生的年代。但是,和紅矮星萬億年的壽命想比,延長500億年甚至1000億年都沒有太大的差別。

當大量恒星熄滅的時候,星系将改變顔色。現在,多數星系都表現出耀眼的藍白色,體積龐大的明亮恒星是星系内的主要光源。當這些恒星死去,品質較低的暗恒星成為主角,星系的顔色也會随之變暗變紅。

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星雲氣體耗盡後幾十億年,星系中隻有長命的紅矮星還在發光。這種情況将持續1萬億年,也許更長。可能品質最低的紅矮星能持續10萬億年,但是在這裡10倍并不是一個太重要的數字。在宇宙悠長的生命曆程中,它們隻是一些統計上的小小起伏。

3. 簡并紀元

當最後一顆恒星熄滅,宇宙中釋放能量的就隻有恒星的遺骸:白矮星,中子星和黑洞。另外,還有一些棕矮星,它們的品質在恒星和行星之間。除了黑洞,白矮星和中子星都是由各種簡并壓力支撐,也就是說,在幾萬億年以後,恒星紀元将會結束。簡并紀元來臨了。

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宇宙将會變得十分黑暗,至少對人類的眼睛是如此,如果那時候還有人類的話。如果我們可以看到紅外線,宇宙會明亮一些。這些天體還是比較溫暖的,是以會有多多少少的紅外輻射。中子星和白矮星誕生時非常熱,然後慢慢冷卻。冷卻的速度和它們的大小有關,但是在幾萬億年後,它們應該都會降到室溫。是以,在簡并紀元裡,随着時間的流逝,宇宙慢慢變冷。

但是,這個紀元中也會有昙花一現的光明。在孤寂的宇宙中聯袂起舞的白矮雙星最終會走到一起。經過數萬億年,白矮雙星的軌道将會由于引力波能量輻射而衰減,雙星在合并的刹那爆發出奪目的光彩,成為超新星。同樣,中子雙星也會合并,爆發,形成伽馬射線暴,它們的亮度将超過1000個星系。但是,這隻是短暫的事件,宇宙很快回歸黑暗。

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有趣的是,棕矮星是更好地能量來源。棕矮雙星會合并形成低品質的恒星,然後在幾百億年中為黑暗的宇宙帶來一點光明。

但是,在時間面前,沒有任何東西可以保持到永恒。不但對于宇宙和恒星是如此,對于微觀世界中的質子也是如此。質子的半衰期是10^34年,也許更長。當質子開始衰變,物質将會分解,白矮星,中子星,棕矮星,行星,都會消融在空間中。不過,值得欣慰的是,這個過程有一個亮點。白矮星分解的時候會釋放能量,功率可達400瓦(微波爐功率的一小半)。

注:白矮星此時應該已經完全冷卻,成為黑矮星了

4. 黑洞紀元

在10^40年以後,最後一顆簡并天體也消失了,宇宙中隻剩下了黑洞這一種天體。

宇宙進入了黑洞紀元。

在我們的印象中,黑洞是吞噬一切的無底洞。然而,黑洞可以同過一種方式産生能量 ——蒸發。20世紀70年代,史蒂芬 霍金用量子力學研究黑洞,發現黑洞确實會向外輻射能量,進而損失品質。越大的黑洞損失品質越慢。一個3倍太陽品質的黑洞(通過超新星誕生的最小黑洞),完全蒸發需要10^68年。這是一個長得近乎荒謬的時間,但是宇宙可以等待。而星系中心的黑洞要完全蒸發,需要10^92年。1後面92個0,就是下面這個數字。

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這個數字如此之大,我們甚至無法找到一個東西來進行類比,因為它甚至大于已知宇宙中的基本粒子的個數(10^85)。

當黑洞品質變小,它的蒸發速度就會加快。最後,黑洞會在一道閃光之後消失的無影無蹤。這是黑洞紀元唯一的光。

5. 黑暗紀元

最後,一切的消失了。宇宙中隻剩小了能量極低的亞原子粒子和光子。這是10^92到10^93年以後。這是,我們可以有把握地說,宇宙已經死了。

宇宙進入了黑暗紀元。如果時間還有意義的話,這個紀元将會延續到無窮。

6. 其他可能的結局

如果暗能量按照現在推測的那樣持續增強,宇宙将走向另一個結局:大撕裂。在這個結局中,沒有任何力量可以對抗空間膨脹,所有的物質都會瓦解,連原子都會被撕成碎片。大撕裂将會在黑暗紀元以前發生,但是這個結局并不比黑暗紀元更加光明。

最後,我們還有一個非常微小的希望可以得到一個光明的新宇宙。量子實體中有一個猜想,也許我們的真空并不是一個最低能量狀态。就像你站在一個台階上,而你下面還有一級台階。

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當宇宙在黑暗紀元中沉睡無數年以後,也許一小片空間因為不管什麼原因,跌落到下一個能級——真正的真空。它會帶動周圍的空間紛紛跌落。這時,奇怪的事情發生了,在這些跌落的空間中,實體定律将被重寫,時間和空間将被抹去。這個區域迅速擴充,留下的地方是一個新的宇宙。也許這也是我們的宇宙的來源。

這個猜想給了我們一個新宇宙的希望。這個希望雖然渺茫,但是有一絲希望,也好過在黑暗和寒冷中沉睡到無窮。