宇宙最悲劇的結局：終將陷入無邊的黑暗和死寂

科技 08-11

關於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現，宇宙也將在漫長的歲月中，慢慢陷入無邊的黑暗和死寂。

下文的主要內容來自Crash Course頻道的視頻《Deep Time》（https://youtu.be/jDF-N3A60DE）

天體物理學家弗萊德·亞當斯和格里高利·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。

圖片來自Future of an expanding universe

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，第一顆恆星誕生。這個紀元已經過去了。

圖片來自Big Bang

2. 恆星紀元（Stelliferous Era）

恆星主宰宇宙，繁星布滿夜空。生活在這個時代，無疑是我們的幸運。

圖片來自The Starry Night

恆星紀元什麼時候結束呢？或者說，最後一顆恆星什麼時候會熄滅呢？質量越小的恆星，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只用了1%的氫。從人類的角度來看，它們還是嬰兒。

現在，星系還在攪拌著星雲，用星雲氣體創造新的恆星。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將會後繼乏力，新生的恆星越來越少，而已經誕生的恆星會用盡燃料，一個接著一個逐一熄滅。在這以後，諸如星系碰撞之類的事件會創造一些新恆星，延長恆星創生的年代。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區別。

當大量恆星熄滅的時候，星系將改變顏色。現在，多數星系都表現出耀眼的藍白色，體積龐大的明亮恆星是星系內的主要光源。當這些恆星死去，質量較低的暗恆星成為主角，星系的顏色也會隨之變暗變紅。

星雲氣體耗盡後幾十億年，星系中只有長命的紅矮星還在發光。這種情況將持續1萬億年，也許更長。可能質量最低的紅矮星能持續10萬億年，但是在這裡10倍並不是一個太重要的數字。在宇宙悠長的生命歷程中，它們只是一些統計上的小小起伏。

3. 簡併紀元

當最後一顆恆星熄滅，宇宙中釋放能量的就只有恆星的遺骸：白矮星，中子星和黑洞。另外，還有一些棕矮星，它們的質量在恆星和行星之間。除了黑洞，白矮星和中子星都是由各種簡併壓力支撐，也就是說，在幾萬億年以後，恆星紀元將會結束。簡併紀元來臨了。

宇宙將會變得十分黑暗，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，所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。所以，在簡併紀元里，隨著時間的流逝，宇宙慢慢變冷。

但是，這個紀元中也會有曇花一現的光明。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，白矮雙星的軌道將會由於引力波能量輻射而衰減，雙星在合併的剎那爆發出奪目的光彩，成為超新星。同樣，中子雙星也會合併，爆發，形成伽馬射線暴，它們的亮度將超過1000個星系。但是，這只是短暫的事件，宇宙很快回歸黑暗。

有趣的是，棕矮星是更好地能量來源。棕矮雙星會合併形成低質量的恆星，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恆。不但對於宇宙和恆星是如此，對於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，物質將會分解，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）。

註：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，最後一顆簡併天體也消失了，宇宙中只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產生能量 ——蒸發。20世紀70年代，史蒂芬霍金用量子力學研究黑洞，發現黑洞確實會向外輻射能量，從而損失質量。越大的黑洞損失質量越慢。一個3倍太陽質量的黑洞（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。