【cn-stem】宇宙的末日

万物有生必有死，那作为包含万事万物的宇宙本身呢。现在科学家基本公认，宇宙有创生的一刻，就是大约140亿年前的宇宙大爆炸。那宇宙是否有消亡的时刻呢？如果有，会是怎样一番景象呢？

如此宏大的事情似乎只有上帝才会去关心，渺小的人类怎么能讨论呢。不过以人类现在掌握的知识和观测资料，还是可以通过逻辑推理来一窥天机的。

1.宇宙大角力

宇宙的命运取决于由两种力量相互争夺的胜负，扩张力和收缩力。一开始我们以为扩张力来源于最初的宇宙大爆炸。而收缩力就是万有引力，它由物质的质量决定，如果宇宙中包含的物质总量达到一定数量，那么万有引力就会给宇宙大爆炸踩下刹车，宇宙将在膨胀到一定体积的时候达到平衡，不再膨胀。如果宇宙的物质总量超过这一临界值，则整个宇宙有朝一日会挂上倒挡，变膨胀为收缩，直到收缩为一个奇点，回到宇宙大爆炸开始前的状态，这时，我们所知道的物理定律将完全失效，无法预测会发生什么，也许是又一次宇宙大爆炸，诞生一个全新的宇宙。

最初，人类对可见物质的观测似乎表明，前一种状态可能性较大，所有可见物质的总质量似乎就在临界值附近。人类可以松一口气了，宇宙应该不会重新坍缩回一个奇点。

不过一项对星系旋转速度的研究，为这一结论投下了阴影。原来相对于理论值，星系的旋转速度太快了。打比方，如果银河系只由可见物质组成，位于银河系边缘的太阳以它现在的速度绕银河系中心旋转，产生的离心力，足以把太阳抛出银河系，成为流浪星球。

图一：星系自旋问题：作者：Inductiveload 来源：维基百科 版权：CC3.0

上图中曲线A表示根据牛顿力学计算出的天体旋转速度与其和星系中心距离的关系，按理说距离中心越远，公转速度越低。曲线B为实际观测值，可见实际上天体绕星系中心旋转的速度随距离变化并不大。造成这一现象最可能的原因是，宇宙中除了我们可以直接观测到的物质外，还有很多我们无法直接观测到的物质，它们也具有质量，可以产生万有引力。现在我们还不知道这些物质到底是什么，所以我们将其称为暗物质（dark matter）。这个名字只是说明我们不知道它们究竟是什么，而不是说它们是像煤炭一样不发光的物质，事实上暗物质不但不发光，而且也不阻碍光线传播，是完全透明的。虽然我们不能直接观测暗物质，但是我们可以通过暗物质产生的引力效应探测它们，比如引力透镜，根据爱因斯坦广义相对论，引力会弯曲光线，这样暗物质集中的区域就会扭曲它们背后的星系图像。而观测结果大大出人意料——宇宙中暗物质的总量是可见物质总量的五倍之多。这样一来，在人类看来，收缩力在这场角力中将占据压倒性优势，宇宙最终会再度收缩，越来越炙热，直到重新变成一个奇点。

2.剧情大逆转

不过20世纪90年代以来，科学家通过测量遥远星系的光谱的红移现象——当物体远离我们运动时，光波会被拉长，使物体看起来更红如下图：

图二：运动物体的红移和紫移现象 作者：Bender235 来源：维基百科 版权 CC3.0

远离观察者的运动物体会显得更红，因为波长被拉长，接近观察者的运动物体会显得更紫，因为波长被压缩。

而观察遥远星系光谱的红移程度，就可以得出星系远离我们的速度。而积累足够多的数据，我们就可以知道宇宙膨胀是否正在减速。这项观测得结果再次颠覆了人类认知，关于宇宙最终命运的剧情出现了大逆转。原来，在远超临界质量的大量暗物质和可见物质的引力作用下，宇宙膨胀不但没有减速，反而正在加速。也就是说在引力踩下刹车的同时，还有一个神秘的力量却在全力踩着油门。关于这个神秘力量，目前科学家们还不知道其具体是什么，只是猜测这是一种存在于真空中的能量，其性质与引力相反，驱动空间扩张，使物质之间相互远离。所以就像命名暗物质一样将这个神秘力量命名为暗能量（dark energy）。意思就是“我们不知道的能量”。接下来测量暗能量在宇宙中占比的结果，让人们更加目瞪口呆，暗能量的总量相当于暗物质和普通物质总和的3倍，是我们宇宙最主要的组成部分。这意味着宇宙会一直加速膨胀下去，直到暗能量在宇宙的所有区域都打败引力，首先，星系会解体，接下来，星球也会解体，最后连原子也会解体，我们所知的一切都将不复存在。科学家把这一结局称为“大撕裂”。而且暗能量是产生于真空中的能量，随着宇宙的膨胀，空间的扩张。暗能量的数量也会增多。如果暗能量的增加与空间的扩张成平方甚至3次方之类的指数关系。那么人类的麻烦就大了。这说明宇宙膨胀速度会爆炸性增加，大撕裂也许会很快到来。好在现在的观测数据表明，暗能量的增加与空间扩张成线性关系，宇宙的消亡将是一个非常缓慢的过程。也许我们人类有足够的时间找出穿越到平行宇宙的办法。

3.悬念并未解除

那么宇宙这出终极大戏的结局是否已经被科学家们剧透了呢？未必，爱因斯坦曾说他相信“上帝不会掷骰子”，但量子力学看来，人类能确定的只有概率，上帝确实会掷骰子。在最前沿的量子场论中，有一个“真空衰变”假说。说实话，这个理论太玄了，我也不明白。大概是说，在一个随机的时间、随机的地点，现有的物理定律会完全崩溃，原子将不再按我们知道的方式结合在一起，自然我们已知的生命形态也不会存在，而且这个范围会以光速向外扩张。也就是说我们的宇宙可能突然死亡，因为这一事件的发生是随机的，也许是在明天，也许是在几十亿年后，而且真空衰变的扩张范围以光速推进，所以我们也不会得到任何预警。也许我们某天早上醒来世界毁灭了，是不是有点细思极恐。不过这只是理论假说，也许是错的。不管怎么说，宇宙这出大戏就像HBO的美剧《权力的游戏》，情节不断反转，悬念一直存在。上帝他老人家可不愿轻易泄漏天机。

参考资料：

• 索频道 纪录片《宇宙有道理》 第五季
• 维基百科相关词条

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