宇宙將如何終結?「不是砰的一聲,而是一聲嗚咽」美國詩人T.S.艾略特(T.S. Eliot)在談到世界末日時寫道。但是,如果你想要一個更明確的答案,你會發現物理學家們已經花了無數的時間在他們的頭腦中反覆思考這個問題,並把最合理的假設巧妙地歸納為幾個類別。
「在教科書和宇宙學課上,我們知道宇宙有三種基本的未來,」新罕布夏州漢諾瓦達特茅斯大學的宇宙學家羅伯特·考德威爾說。
考德威爾說,在一種情況下,宇宙可能會永遠膨脹下去,所有物質最終都會分解成能量,這就是所謂的「熱死」。或者,重力可能會導致宇宙再次坍縮,產生一個反向的大爆炸,稱為大爆炸(我們稍後將對此進行解釋)。或者,也有可能暗能量會導致宇宙的膨脹越來越快,演變成一個失控的過程,被稱為大撕裂。
在討論宇宙的終結之前,讓我們先來看看它的誕生。我們目前的理解是,時間和空間始於大爆炸,當時一個亞原子、超熱和超密度的點向外爆炸。一旦溫度足夠低,粒子就開始形成更大的結構,如星系、恆星和地球上的所有生命。我們現在生活在宇宙開始後大約130億年,但是,考慮到它滅亡的不同情況,我們還不清楚宇宙還會存在多久。
在第一種情況下——宇宙因熱死而消亡——宇宙中的所有恆星都會燃燒完它們的燃料,其中大部分會留下被稱為白矮星和中子星的緻密殘留物。最大的恆星會坍縮成黑洞。雖然這些巨獸並不像人們通常描述的那樣貪婪,但如果有足夠的時間,它們巨大的引力會把大部分物質吸引到它們那吞噬一切的胃裡。
考德威爾對說:「那就會發生一些驚人的事情。」
黑洞被認為發出一種特殊類型的輻射,稱為霍金輻射,以已故物理學家史蒂芬·霍金的名字命名,他是第一個提出這一理論的人。這種輻射實際上奪走了每個黑洞的一點點質量,導致黑洞慢慢蒸發。根據英國赫爾大學的天體物理學家Kevin Pimbblet的說法,經過10到100年(即1後面跟100個0)之後,所有的黑洞都會消散,只留下惰性的能量。
相比之下,在大收縮的情況下,恆星和星系的引力總有一天會把整個宇宙重新拉到一起。這個過程有點像一個倒退的大爆炸,星系團崩潰和合併,然後恆星和行星融合在一起,最後,宇宙中的一切將再次形成一個無限小的緻密點。
這樣的結果為宇宙提供了某種時間上的對稱性。「乾淨整潔。」考德威爾說。「就像你去露營一樣;什麼也沒留下。」
宇宙終結的最後一種基本可能性被稱為大撕裂。在這種情況下,暗能量——一種與萬有引力相反的神秘物質——將所有東西一塊一塊地分開。宇宙的膨脹加速,直到遙遠的星系迅速遠離我們,以至於它們的光再也看不見。隨著擴張速度的加快,越來越近的物體開始消失在考德威爾所說的「黑暗之牆」後面。
他說:「星系被拉開,太陽系被拉開,任你胡思亂想吧。」「先是行星,然後是原子,最後是宇宙本身。」黑洞是如何形成的?
哪一個「結局」會發生?
因為暗能量的性質還沒有被很好地理解,研究人員不知道哪一種情況會佔上風。考德威爾說,他希望像美國國家航空航天局的廣域紅外巡天望遠鏡(WFIRST)或即將部署的大型巡天望遠鏡(LSST)等正在發展中的天文臺將有助於闡明暗能量的行為,也許能更好地理解宇宙的終結。
關於宇宙如何死亡,還有其他奇異的前景。根據已知的物理定律,希格斯玻色子有可能在某一天摧毀一切。2012年希格斯玻色子被發現時,其質量約為質子的126倍。但從理論上講,質量是有可能改變的。這是因為宇宙現在可能不是處於最低能量狀態。整個宇宙可能處於所謂的不穩定的虛假真空中,而不是真正的真空。如果希格斯玻色子以某種方式衰變為一個較低的質量,那麼宇宙將陷入一個較低能量的真正真空狀態。
如果希格斯玻色子突然轉變為質量更低、性質不同的粒子,那麼宇宙中的其他一切都將受到類似的影響。電子可能不再能夠繞著質子轉,使原子成為不可能。同樣地,光子可能會形成質量,這意味著陽光可能感覺像一場陣雨。是否有任何生物能在這樣的狀態下生存還不得而知。
「我認為這是一種粒子物理環境災難,」考德威爾說。「它並沒有直接導致宇宙的滅亡——只是讓它變成了一個糟糕的居住地。」