我們是怎麼死的？宇宙的4種終極命運
對於本文以下將要敘述的內容請保持鎮定：我們的地球註定將會毀滅。但如果你幸災樂禍，那麼還有一個消息，那就是你可能還需要等上一段時間，比如60億年——在那之後，膨脹為紅巨星的太陽將吞噬整個地球。
然而地球也僅僅是太陽系中的行星之一，太陽也只是銀河系中數千億顆恆星之一，而在我們可以觀測的宇宙之中，還有著數以千億計的其他星系。所有這一切的命運將會是什麼？宇宙會終結嗎？
自誕生以來，我們的宇宙便處於不停的膨脹之中
目前認為，宇宙有4種可能的最終命運，但它們的共同點都是毀滅
M47星系，所有的星系都在遠離我們，宇宙正在加速膨脹
宇宙微波背景輻射(CMB)。這是宇宙大爆炸的餘暉
「熱寂就要降臨」
依照我們目前的科學認識水平甚至還無力去探討這一切為何會如此，我們甚至還無法斷言宇宙是否將會迎來一個確定的突然終結或是緩慢的消亡。但按照目前我們對於 物理學的最佳理解，宇宙最終將會有幾種不同的結局，但它們無一例外都將是災難性的。物理學同時也給出了我們該如何做，或許就可以逃脫滅亡(注意，僅僅是或 許)的一些線索。
我們對於宇宙終結的第一個線索來自熱力學，也就是對熱的研究。熱力學就像是個一臉猙獰的物理學傳道士，沿著街道行走，手上拿著一張大大的海報，上面寫著：「熱寂就要降臨」(THE HEAT DEATH IS COMING)。
但儘管從名字上聽起來非常恐怖，但它的實際意義並非是說我們將會被活活燒死，這裡的「熱寂」更多指代的是熱力差的消亡。
這聽上去似乎並沒有什麼大不了的，但實際上這樣的前景甚至要比將我們直接燒死更加糟糕。這是因為我們生活中的幾乎任何事物都需要仰賴於某種程度溫差的存在，不管是直接的還是間接的。
舉例來說，你的小汽車之所以能夠在路上開動，這是因為你的車子的引擎內部溫度要比外部更高。你使用的家用計算機需要依賴你家附近的發電廠提供能源，而那座電 廠的工作基礎可能是燒水使之沸騰並用水蒸氣驅動發電機組。另外，你需要吃東西來維持生命，而你之所以會有食物可吃，還要感謝太陽與宇宙其他區域之間存在的溫度差。
然而，一旦宇宙抵達熱寂狀態，宇宙中任何區域，一切事物都將是同一個溫度。這就意味著宇宙中任何「有趣」的事物都將不復存在。
所有的恆星都將死亡，幾乎所有的物質都已經衰變分解，最終整個宇宙中將只剩下稀疏分布的均勻的粒子與輻射「湯」。甚至連這「宇宙湯」中的能量也將最終隨著宇宙的膨脹而被徹底稀釋掉，使其溫度降到只比絕對零度超出一點點的水平上——就在這「大凍結」(Big Freeze)中，整個宇宙陷入一片死寂：均勻而徹底的寒冷，死寂，空曠。
實際上，在19世紀初物理學家們最初發展出熱力學理論時，人們曾經一度認為這樣的「熱寂」理論似乎就是我們的宇宙唯一確定的宿命。但在大約100年前，愛因斯坦提出的廣義相對論卻指出，宇宙將面臨遠比這更加狂暴的命運。
在特定的條件下，液態水可以在低於冷凝點的情況下不發生凍結
或許存在一種能級更低的新形式的「真空」。如果這樣的情況的確存在，那麼對於我們絕對不是什麼好消息
「大凍結」還是「大塌縮」？
相對論指出物質和能量會彎曲時空。這種「時空」與「質能」之間的關係就像是舞台與在它上面表演的演員，只是在這裡舞台延伸到了整個宇宙。而根據愛因斯坦的想法，宇宙中的物質將決定宇宙本身的最終命運。
相對論預言，作為一個整體，宇宙必定正處於膨脹或收縮的狀態下，而不可能保持相同大小。愛因斯坦是在1917年意識到這一點的，在當時他完全無法接受這樣的結果，以至於認為一定是自己的理論哪裡出錯了。
隨後在1929年，美國天文學家埃德溫·哈勃發現了宇宙的確正在膨脹的證據。獲悉這一情況之後，愛因斯坦改變了自己的觀點，並將自己此前對靜態宇宙理論的堅持稱為「我職業生涯中最大的錯誤」。
那 么如果宇宙的確正處於膨脹之中，那麼在此之前宇宙一定要比現在更小。這一想法催生了宇宙大爆炸學說的出現。該理論認為宇宙最初是從某種極端微小的開端肇始 的，隨後發生了難以置信的快速膨脹。甚至在今天我們仍然能夠在微波波段的背景輻射中目睹宇宙大爆炸留下的「餘暉」，這是一種均勻的電磁波信號，分布在宇宙 的所有方向上。
於是，我們所在宇宙的命運完全取決於一個非常簡單的問題的答案：宇宙將會繼續膨脹嗎？這種膨脹有多快？
對於一個包含大量常規「充填物」的宇宙，如物質和光，那麼這個問題的答案就取決於這些「充填物」的量有多少。更多的「充填物」就意味著更加強大的引力，而這會將一切「往回拉」，從而導致宇宙的膨脹減速。
只要這些「充填物」的量沒有多到超過某個臨界點，那麼我們宇宙將會繼續膨脹，並最終抵達熱寂狀態，在「大凍結」(Big Freeze)中迎來死亡。
但如果宇宙中「充填物」的數量超過了臨界值水平，那麼宇宙的膨脹就將不斷減速並最後停滯。隨後，宇宙開始出現收縮，變得越來越小，溫度不斷上升，密度不斷加大。最終，宇宙迎來終極壓縮的命運——與大爆炸的情景相反，這種情況被人們稱作「大塌縮」(Big Crunch)。
在20世紀的大部分時間裡，天體物理學家們無法判斷這兩種可能情景中究竟哪一種才是真實情況。我們究竟將迎來何種終極命運？「大凍結」還是「大塌縮」？冰還是火？
於是他們決定開展一次宇宙大調查，目的是查明宇宙中究竟含有多少「充填物」。這項研究的結果卻發現我們宇宙中「充填物」的量奇怪的恰好位於臨界點的附近，這就讓我們宇宙的未來命運變得捉摸不定。
量子物理學原理指出，即便是「完全的」真空中也存在著能量
幽靈暗能量將撕裂並毀滅宇宙中的一切
首先，幽靈暗能量將開始撕裂星系
隨後，恆星和行星將會被撕碎
「大轉變」與「終極生態災難」
然而這一切都在20世紀末的一天被徹底改變了。在1998年，兩個相互競爭的獨立研究小組先後宣布了一項驚人結果：宇宙的膨脹正在加速。
這種現象是難以解釋的。正常的物質和能量不可能造成這種情況的出現。這是人類首次接觸到一類全新的能量形式——被稱為「暗能量」(dark energy)存在的線索，其行為特徵與宇宙中任何其他東西都完全不同。
暗能量正在撕裂整個宇宙。科學家們到目前為止仍然未能理解暗能量究竟是什麼東西，但他們已經可以判定，整個宇宙中大約70%的能量屬於暗能量，並且這一數字每天都在增加。
暗能量的存在意味著宇宙的終極命運並非由其內部所含的「充填物」來決定。相反，暗能量控制了宇宙的前途，它讓宇宙不斷加速膨脹。面對這樣的情況，「大塌縮」 的前景已經變得非常不可能。但這也並不意味著「大凍結」是無法避免的。這其中還存在著其他的可能性。其中的一項理論並非源自宇宙學研究領域，而是來自亞原 子粒子研究領域。
美國作家庫爾特·馮內古特(Kurt Vonnegut)在其經典科幻小說《貓的搖籃》(Cat"s Cradle)一書中設想了一種新的水冰形式，叫做「冰-9」(ice-nine)，它的凝結溫度不是0攝氏度，而是46攝氏度。當一顆「冰-9」晶體被丟進一杯水裡，這顆晶體周圍的水分子便立即開始轉變為與「冰-9」相同的結構，因為前者的結構擁有更低的能級。
隨後這些新形成的「冰-9」分子又開始對其周圍的其他水分子產生同樣的作用——在一瞬間，失控的鏈式反應已經將整杯水全部變為「冰-9」成分——它也可以瞬間將整個地球上所有海洋中的水體全部變成「冰-9」。
同樣的情況在現實中使用正常的冰和正常的水也會發生。如果你使用非常純凈的水，將其倒入一隻非常乾淨的玻璃杯中，然後將其降溫到剛好低於零度的水平。此時杯 中的水體將處於過冷卻狀態：儘管水溫已經跌破凝結溫度，但水體依舊保持液態。這是由於水體非常純凈，杯子內壁也非常光滑，完全沒有瑕疵，冰無法找到開始凝 結的地點。但如果此時你將一顆小冰粒扔進杯子里，這杯水就將迅速凝固——就像「冰-9」產生的效應那樣。
這裡討論的「冰-9」和過冷卻水當然不會對宇宙的命運產生什麼影響。但空間之中可能會上演相似的情形。
量子物理學原理指出，即便在完全的真空之中實際上也存在非常少量的能量。但可能還存在另外一種類型的真空，其所包含的能量更低。如果這一想法正確，那麼我們的整個宇宙就像是那一杯處於過冷卻狀態的水。它一直存在著，直到有一顆能級更低的「小冰晶」出現。
幸運的是，我們目前還尚未觀測到這類「小冰晶」存在的跡象。但同時不幸的是，量子物理學同時也指出，如果一種更低能級的真空狀態是可能的，那麼這種真空將無法避免的在某個時刻，於宇宙的某處出現。
如果發生了這種情況，就像一顆「冰-9」 被丟進了宇宙這杯水裡——新的，能級更低的真空將會把其周圍「舊的真空」轉變為與它一樣的「新的真空」。這顆「小冰晶」造成的影響將以接近光速的速度擴散 開來，因此我們將永遠無法預見到它的到來(有沒有讓你想到大劉《三體》里的二維化？)。一旦轉變完成，一切都將變得極為不同。
一些基本粒子，如電子與夸克的性質將變得完全不同，從而徹底改寫化學定律，甚至可能導致原子無法形成。在這一「大轉變」中，人類，行星，甚至是恆星本身都將被徹底摧毀。在一篇發表於1980年的論文中，物理學家悉尼·科爾曼(Sidney Coleman)和弗蘭克·盧西亞(Frank de Luccia)將這一前景稱為「終極生態災難」(the ultimate ecological catastrophe)。
更為雪上加霜的是，在「大轉變」之後，暗能量的表現形式可能將變得有所不同。與此前導致宇宙不斷加速膨脹不同，此時的暗能量可能將轉而導致宇宙不斷收縮，並最終迎來「大塌縮」。
我們能夠逃離這樣的命運嗎？
目前的理論認為，新生的宇宙曾經經歷過極其迅速的膨脹，即所謂的「暴漲」理論
大爆炸：宇宙的開端
暴漲理論認為我們所處的宇宙僅僅是所謂「多重宇宙」中的一個，並且存在著一個永恆膨脹的「背景」，它在不斷製造出像我們所處的宇宙這樣的新的「宇宙氣泡」
「大撕裂」與「幽靈暗能量」
另 外還有第四可能的情形，在這種情形中暗能量仍然居於中心位置。不過這一理論給出的前景是高度揣測性的，因而可能性非常低，但即便如此仍然不能予以完全的排 除。該理論的中心思想是：暗能量很有可能比我們目前所想像的更加強大，它甚至可以憑藉一己之力直接造成宇宙的終結，而根本不需要經過什麼「大轉變」、「大 凍結」或是「大塌縮」。
暗能量具有一種非常奇特的性質。隨著宇宙膨脹，它的密度不會發生變化。這就意味著隨著時間推移，宇宙中正在產生越來越多的暗能量，從而能夠跟上宇宙不斷膨脹的空間並保持其密度的不變。這種情況非常不同尋常，但並未打破任何的物理學定律。
然而情況還可以變得更加詭異——如果暗能量的密度隨著宇宙的膨脹而增加，情況將會如何？換句話說，如果宇宙中暗能量的增加速度超過了宇宙本身的膨脹速度，那將會如何？
這個問題是由美國新罕布希爾州達特茅斯學院的羅伯特·查得威爾(Robert Caldwell)提出來的。他將其稱為「幽靈暗能量」(phantom dark energy)，它將引導宇宙走向一條詭異的命運之路。
如果所謂的「幽靈暗能量」真的存在，那麼「黑暗終將勝利」——正如電影《星球大戰》中警告我們的那樣。
目前，宇宙中暗能量的密度還非常低，遠低於地球上物質的密度水平，甚至是銀河系中物質的密度水平。但隨著時間的推移，這種「幽靈暗能量」將會持續累積並最終撕裂宇宙。
在一篇2003年發表的論文中，查得威爾和他的同事們構建出了一套他們稱之為「宇宙末日」(cosmic doomsday)的理論。其核心內容是：一旦「幽靈暗能量」的密度超過宇宙中的某一個物體，這個物體就將被撕裂。
這也就意味著，「幽靈暗能量」將首先撕裂銀河系，其中的恆星將散落各處。隨後密度更高的太陽系將會被撕裂，因為此時暗能量將物質撕裂開的力量已經超過了太陽引力場對地球和其他公轉天體的牽引作用。
緊接著，在短短几分鐘內，地球將會被撕裂。再然後，原子將被粉碎，最終，整個宇宙將會被撕碎。查得威爾將這種前景稱為「大撕裂」(the Big Rip)。
查爾維爾自己也承認，他的「大撕裂」理論看上去非常怪誕離奇，但這並不意味著它完全不可能發生。
有關幽靈暗能量的理論與一些基本宇宙理論之間存在存在衝突，比如一項基本的傳統假設，即認為物質與能量的運動速度不可超越光速。因此我們有足夠的理由拒絕相信這一理論。
基於我們對宇宙膨脹的觀測以及粒子物理學的實驗結果，宇宙的最終命運更有可能是「大凍結」，很有可能在那之後還會經歷「大轉變」以及一次終極的「大塌縮」。
逃離厄運的希望
這樣的未來一片黑暗——亘古持久的冰冷空曠，隨後在一次真空衰變中被終結，最終迎來終極塌縮，一切全部消失。有沒有可能逃離這樣的噩夢？抑或這是我們命中注定的末日？
當然對於我們每個單獨的個體而言，根本就沒有必要去擔心這樣的事情。因為除了「大轉變」的時間可能還難以預料之外，以上所討論的這些事都是在億萬年之後才有可能發生的，因此對於我們而言，它們還「尚未成為」某種非常重要的問題。
另外，我們似乎也根本不必為人類的命運擔憂。如果沒有發生其他變故，經歷如此久遠的時間，光是遺傳漂變效應就已經足以讓我們的後代變得與今天的我們完全不同。那麼退一萬步說，那時候的某種「智慧生物」將能夠逃離這樣的毀滅命運嗎？
美國普林斯頓高等學術研究所的物理學家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)在1979年發表的一篇經典論文中探討過這個問題。在當時，戴森認為生命體可以通過對自身進行改造，從而在「大凍結」中倖存。戴森認為逃過「大凍結」要比經歷可怕的「大塌縮」容易得多。
然 而時至今日，由於暗能量的發現，戴森對於這個問題的樂觀情緒已經幾乎完全消散了。對此他曾經發表過自己的觀點：「如果宇宙正在加速膨脹，那可真是一個壞消 息。」加速的膨脹意味著我們將最終失去與絕大部分星系之間的聯繫，從而大大限制我們能夠獲取的能源數量。戴森表示：「從長遠來看，這是一種非常糟糕的情 況。」
然而情況仍然可能發生變化。戴森指出：「我們目前仍然無法確定這樣的膨脹是否將會一直持續下去，因為我們根本還不理解宇宙為何會加速膨脹。對此較為樂觀的觀點是，隨著宇宙變得越來越大，這樣的加速終將停滯。如果是那樣，那麼我們的未來將會明朗得多。」
可 是如果宇宙的膨脹並沒有出現減速呢？或者說，如果有朝一日事情變的明朗，那就是「大轉變」即將來臨，那時候將會如何？對此，一些物理學家們給出了自己的解 決方案，但聽上去完全就像是一群瘋子科學家的設想：要想逃離宇宙終結的命運，那就在實驗室里創建我們自己的黑洞，然後跳進去。
這些物理學家中的一位是美國麻省理工學院的阿蘭·古斯(Alan Guth)，他是極早期宇宙研究方面的頂尖專家。古斯教授表示：「我無法確認物理學定律是否真的允許這樣做。但如果這是可能的，那麼這也將需要極高的，遠遠超出我們目前能夠預見的技術水平。我們也將需要巨大的能量來創造黑洞並對其進行操控。」
阿蘭表示，作為第一步，我們需要創造出一種密度極高的物質——它的密度需要高到幾乎達到只差一點就會自行塌縮為黑洞的臨界點。如果能夠以恰當的方式實現這一步，並迅速清空該區域周圍的其他物質，那麼我們就有可能迫使這一空間區域發生快速膨脹。
事實上，此時你已經開始創造了一個全新的宇宙。隨著該區域空間的膨脹，宇宙的邊界將會收縮，形成一個扭曲的空間「氣泡」，此時的「裡面」要比「外面」更大。
古斯表示，這樣的情景對於《神秘博士》(Doctor Who)的粉絲們可能並不陌生，這部科幻劇裡面的TARDIS可能是對於他所提到的空間扭曲模式「相當精準的描述」。
最終，外部的世界完全收縮並消失，新生的宇宙將讓我們得以逃脫「舊」宇宙中我們將要面臨的所有厄運。
不過基於我們當前的認識水平，我們還遠遠無法確定這樣做是否真的可行。古斯表示：「我必須指出，對於這一點我們還不甚清楚。我們目前還無法確定這樣做是否真的可行。」
不過，古斯也指出，除此之外我們在面對宇宙的終結時或許還有著另外的一絲希望——對，只有一絲而已。
古斯是最早提出早期宇宙曾經在極短的時間內經歷過一次極高速膨脹的科學家之一，這就是所謂的「宇宙暴漲」(inflation)。許多宇宙學家現在都相信暴漲理論是目前解釋早期宇宙中各類現象的最佳理論。而古斯所說的那「一絲希望」正是基於重現這樣的暴漲。
暴漲對於宇宙的命運有著奇妙的影響。該理論認為我們所處的宇宙僅僅是所謂「多重宇宙」(multiverse)中的一個，並且存在著一個永恆膨脹的「背景」，它在不斷製造出像我們所處的宇宙這樣的新的「宇宙氣泡」。
古 斯表示：「如果情況的確如此，那麼即便我們知道每一個單獨的宇宙『氣泡』最終將會死亡，但多重宇宙將會永生，在每一個新的『宇宙氣泡』中都有新的生命被產 生出來。在這樣的圖景之中，多重宇宙作為一個整體是永恆的存在，至少在未來是永恆的，儘管單個的宇宙『氣泡』們不斷的誕生，然後死亡。」
卡夫卡的那句話也許說的很對，他說：「有很多希望，無限多的希望——但不是我們的。」
（編譯：晨風；via BBC）
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