宇宙將如何結束？當宇宙最大熵狀態時，能逆轉結局嗎？

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群星璀璨、萬物有理

幾個世紀以來，關於我們宇宙的最大問題是哲學問題。我們來自哪裡？我們如何來到這裡？以及我們未來方向是什麼？都是詩人和神學家的問題；科學對所有最偉大的宇宙奧秘都沒有答案。在過去的一百年中，所有這一切都發生了變化，我們知道是什麼構成了宇宙，以及它是如何形成的。我們知道宇宙大爆炸的原因，並為它的設定提供了堅實的物理理論來解釋它。

圖註：已知宇宙中有兩萬億多個星系，每個星系平均包含數千億顆恆星，未來還會有無數的恆星誕生。然而，這一切終有一天會結束，對，就是這樣。圖片：NASA, ESA, J. Jee (University of California, Davis), J. Hughes (Rutgers University), F. Menanteau (Rutgers University and University of Illinois, Urbana-Champaign), C. Sifon (Leiden Observatory), R. Mandelbum (Carnegie Mellon University), L. Barrientos (Universidad Catolica de Chile), and K. Ng (University of California, Davis)

現在我們知道暗能量和宇宙加速度膨脹，決定了宇宙最終的命運。但是當那一時刻到來時會發生什麼呢？什麼時候我們的宇宙會達到最大熵點？在遙遠的未來，我們的宇宙還有什麼其他存在的可能性？為了解決這個問題，讓我們先從我們今天的位置開始，當把時鐘向前推進到未來時，然後看看在人類了解它們的物理定律下發生了什麼！

圖註：這是遙遠宇宙有史以來最偉大的影像，在僅有1/32000萬天空的區域，發現了5500個可識別的星系，全都歸功於哈勃太空望遠鏡。由於空間的不斷膨脹，在這裡看到數以百計最遙遠地方已經無法到達，即使光速也是如此。圖片：NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)

可觀測到的宇宙充滿了大約2萬億個星系，佔據了我們可以在四面八方照射460億光年的太空區域。經過近140億年的宇宙演化，幾乎每個星系都充滿了大量的重元素，能夠形成岩石行星，有機分子，以及每個形成新星的生命基石。我們自己的銀河系包含大約4000億顆恆星，並且被綁在本超星系群中。在星系群和星系團之間，是由暗能量支配膨脹的空間結構：空間本身固有的能量。然而隨著時間的推移，與宇宙結合在一起的所有東西都將逐漸消失。

圖註：一系列模擬圖片展示了銀河系和仙女座星系的合併，以及天空在發生過程中與地球的不同。這一合併將在未來大約40億年發生，伴隨著巨大的恆星形成，導致一個紅色死亡，無氣體的橢圓星系：Milkdromeda。圖片：NASA; Z. Levay and R. van der Marel, STScI; T. Hallas; and A. Mellinger

首先是氣體，對於新形成的恆星至關重要。隨著引力相互作用的發生，無論是在星系內還是在不連接的星系之間，氣體雲團都會塌陷成星雲，從而形成新的恆星。最大恆星形成區域可以是整個星系的大小：星爆星系。當銀河系與仙女座合併時，這將在未來40億年發生在我們身上。合併後剩下的將會是一個巨大橢圓星系，包含了大量的新恆星，但幾乎沒有任何氣體。目前恆星的形成在大約10- 110億年前達到了宇宙的頂峰，此後一直在下降。雖然偶爾會有氣體雲或恆星殘餘，給宇宙帶來新的恆星、行星和生命的機會，但即使在今天，這已經是嚴重的衰退了。

圖註：圖中可以看到各種各樣的星系和星系群，包括我們所在的本超星系團——都是獨立的，但是它們之間的空間正在擴大。圖片：Andrew Z. Colvin / Wikimedia Commons

每個星系都是一個束縛結構的一部分，就像我們所在的本超星系團中60個左右的星系，或者室女座超星系團中的約1000個星系，它們將繼續結合在一起。在跨越數百萬光年的區域，引力已經成功地克服了宇宙的膨脹。然而大約60億年前，暗能量主宰了宇宙的膨脹速度。任何結構在發生轉換時都沒有被引力束縛，它們就會遠離其他結構。本超星系團中的星系將繼續結合，最終匯合成一個巨大的星系，而其他星系則會加速消失。經過一到兩千億年的時間，Milkdromeda 將成為我們整個宇宙中唯一可見的星系

圖註：壽命最長的恆星質量最低，顏色最紅，並且會燃燒數萬億年。但是如果有足夠的時間，它們也會變黑，因為宇宙已經耗盡了燃料來供應現有的恆星並創造新的恆星。圖片：Wikimedia Commons user Fsgregs

然而，恆星本身將繼續燃燒很長一段時間。宇宙已經有138.2億年的歷史，但今天最長壽的恆星——低質量紅矮星將會繼續非常緩慢地燃燒其燃料：也許超過100萬億年。之後會冷卻並收縮，變成變成白矮星，並最終變暗，這一過程可能會上升到千萬億(10^15)年。即使如此，宇宙中仍會有新的閃光，耀斑和其他形式的照明機會。褐矮星本身是失敗的恆星，它們最終會相互碰撞併合並，如果它們超過這個極限就會出現新的恆星。中子星或白矮星合併將會產生短暫的能量爆炸。在一個黑暗的宇宙背景下，偶爾的新光源仍然會出現在銀河系遺迹中。

圖註：由於引力波，我們已經發現褐矮星的分離和合併場景與已經發現系統分離的時間很長。但碰撞很有可能，就像紅星碰撞產生藍離散星，褐矮星碰撞可以產生紅矮星。在足夠長的時間內，這些「光點」可能成為照亮整個宇宙的唯一光源。圖片：Melvyn B. Davies, Nature 462, 991-992 (2009)

但在大約10^17年後（約為宇宙現代的一百萬倍）一些東西開始迫使星系本身衰減。飛過星系的屍體，包括黑洞，中子星，黑矮星，流星小行星，彗星和行星，開始在引力作用下相互作用。給定足夠的時間，兩個物體會隨機相互靠近。當它們在星系內部這樣做時，通常會發生的一件事是，其中一個整體與星系更緊密地聯繫在一起，而另一個則受到引力「踢」，可能將其推入星系間空間的深淵。大多數恆星殘餘物將以這種方式從星系中拋射出來，但其中很小一部分（

圖註：當年齡較大的恆星或甚至恆星殘餘物合併在一起時，藍色散射星將在插圖中圈出。在最後一顆恆星燒毀之後，同樣的過程可能會給宇宙帶來光明，儘管它還是短暫的。圖片：NASA, ESA, W. Clarkson (Indiana University and UCLA), and K. Sahu (STScl)

到宇宙大約10^23歲時，這個過程應該是非常完整的。無論星系中哪些穩定的物體存在，它們可能只是少數太陽系殘餘物和黑洞，現在將會看到它們的軌道開始引力衰減。今天驅動黑洞和中子星雙星相同過程將最終導致所有軌道運動衰減。對於太陽周圍的地球（或其他所有的剩餘部分），需要在10^30年的時間內將地球旋入太陽系的中心區域。過了足夠的時間，一切都會塌陷成剩餘的質量，或者被彈射出來，這樣它就會在真空的深淵裡被寂寞所包圍。

圖註：球狀星團內的恆星緊緊地束縛在中心，並經常融合，但在空曠區域，由於引力放鬆，所以彈出的很星很常見。即使當內部的引力質量不再發光時，我們（和每一個）星系的時間也足夠長，也會發生同樣的過程。圖片：M. Shara, R.A. Safer, M. Livio, WFPC2, HST, NASA

在很長很長的時間裡，除了那些尚未實現的失散者外，幾乎沒有其他事情發生：被從星系中彈出，或另一個天體相撞，或者融入星系中心的超大質量黑洞。

圖註：引力輻射會在質量軌道上被釋放出來，這意味著在足夠長的時間內，軌道會衰變。在第一個黑洞蒸發之前，地球將螺旋進入太陽的剩餘部分，假設之前沒有別的東西把它驅逐出去。圖片：American Physical Society

這些事件可能還會發生，但隨著宇宙中剩餘的殘留越來越少，它們變得越來越稀少。然後在大約10^68年後，由於霍金輻射，最小質量的黑洞最終開始完全衰減。當黑洞蒸發時，所有質量都轉化為純粹的黑體輻射，不論是物質還是反物質，都是有利於物質的。

不知何故，我們懷疑製造這些黑洞的粒子（以及它們的重子和輕子數）不再重要；即將離開的輻射已經失去了曾經在宇宙中佔據反物質主宰地位的信息。黑洞越大，蒸發時間就越長。最後在大約10^120年之後，宇宙中最重質量的黑洞終於完成了它們的蒸發過程.，也最終完全蒸發消失。

圖註：當黑洞由於霍金輻射而失去質量時，蒸發率就會增加。經過足夠的時間，一束耀眼「最後的光」被釋放在一股高能黑體輻射中，這種輻射既不受物質的影響，也不受反物質的影響。圖片：NASA

現在宇宙是冷的，空的，沒有界限的結構。剩下的就是行星和恆星屍體，通過這個空洞的，無星系的空間這個無法估量的巨大深淵中被寂寞所衝擊。可能存在孤立的暗物質暈，黑矮星，以及曾經從黑洞出現的輻射，但它會非常稀疏，即使在宇宙的整個時代以近光速行進，不可能遇到其他事情。隨著量子物理定律的生效，一切都會冷卻到接近絕對零度，這就是宇宙最大熵的狀態，宇宙終究會達到「熱死亡」，因為不再有任何可用能量能夠進行運作。

圖註：宇宙遙遠的命運提供了許多可能性，但如果暗能量真的是一個常量，如數據所示，它將繼續沿著紅色曲線走向，導致這裡描述的長期情景：「熱死亡」。圖片：NASA / GSFC

唯一的出路是：如果暗能量不是宇宙常數，黑洞實際上是通向另一個宇宙的門戶，或者有新未被發現的物理學，這將改變這種看似不可避免的命運。暗能量可能會隨著時間的推移而增加，導致巨大的破裂，一個新的宇宙膨脹狀態，然後是一個巨大的爆炸，或一個潛在的復甦的宇宙。墜入黑洞可能是通往新宇宙和新宇宙大爆炸的途徑，其空間維度可能比我們過去所習慣的三維大。

或像艾薩克阿西莫夫曾經推測的那樣，新物理學可能導致熵的箭頭，時間的熱力學箭頭扭轉自身。但所有這些都是推測，並且基於我們目前不接受的物理學。如果以物理定律和宇宙的規律為代價，宇宙中所有事物的緩慢而逐漸死亡是最終的命運。如果我們出生在幾千億年後，可能永遠不會知道導致我們走向這個不可避免結局的宇宙故事。

博科園-科學科普｜文 / Ethan Siegel / Forbes Science / S.W.A.B

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