宇宙最终命运如何?

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻译 程思淼

宇宙最终命运如何?

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻译 程思淼

一切从“大爆炸”开始

上个世纪，天文学家有力地证明，我们现在居住的宇宙起源于大约138亿年前发生的一次“大爆炸”。大爆炸之后不久，基本粒子和简单的原子（氢和氦）形成。宇宙在膨胀中冷却，当温度降到足够低时，恒星得以形成。在这些恒星的核心发生的核聚变产生了很多新的元素，如碳、氮、氧等。另外一些我们生活中常见的元素，比如铁，则是在更加猛烈的超新星爆发中产生的。与此同时，宇宙中出现了行星、白矮星、中子星和黑洞等各种天体。今天，新的恒星依然不断从大爆炸、恒星风和超新星爆发所遗留的气体中产生出来。现在的宇宙似乎有利于行星的形成和生命的发展，不过在遥远的将来，情况将发生戏剧性的变化。

地球未来还适宜居住吗？

现在的地球是生命的完美栖息地。不过情况不会一直如此。与大质量小行星或彗星相撞、附近发生超新星爆发、气候灾变、以及人类自己的问题如爆发核战争等，都可以把人类文明乃至绝大多数生物从地球上抹去。这些事件的发生几率极小，但并非不可能。不过，虽然那时地球上大部分的生物会遭到毁灭，但如果几百万年后地球再次变得宜居，新的生命还是会再度繁荣起来。

更严重的问题来自太阳。在接下来的十亿年里，太阳的亮度将增加10%。这将使地球温度上升到足够高，进而引发失控的温室效应：越来越多的海水蒸发——而水蒸气是重要的温室气体——温室效应将会增强，气温也随之上升；而上升的气温将进一步刺激海水的蒸发。最终的结果是，地球表面的海水将在今后1 0～40亿年完全蒸发干净。或者顽强留存、或者新生繁衍的一切生命，到那时也都将因缺水而灭绝。

地质学家的研究表明，海洋在一定程度上影响着地球板块的运动。海洋完全蒸发之后，板块的活动将有可能停止。另外，地球的外核（地核分为两层，最中心的是固态的内核，外面一些是由融化的铁、镍形成的半液态外核）在几十亿年后将会完全凝固，地磁场也就随之消失（地磁场是地球内部的铁、镍流质回旋流动形成的）。那时，大气层将失去磁场的保护，暴露在强烈的太阳风（太阳发出的高速带电粒子流）之下，渐渐被“吹散”。

当太阳在它生命的晚期变成一颗红巨星，地球将不可避免地走向毁灭。大约几十亿年后，我们的太阳将急剧膨胀，其表面到达水星和金星的轨道，甚至有可能将地球也吞入腹中。即使地球没有被“吞噬”，离太阳表面如此之近，也将使地球表面温度急剧上升，成为一片岩浆的海洋。那时的太阳将比现在亮2700倍。在红巨星阶段之后，太阳将变成一颗白矮星。如果有幸“活”到那时，地球的表面又将变成寒冷的地狱，温度将下降到零下200摄氏度以下。

在大约50～70亿年后，太阳将变成一颗红巨星。它将膨胀并吞噬水星、金星、甚至地球。在此期间，太阳将比现在明亮2700倍，因此，即使地球侥幸没有被吞噬，表面也将成为一片岩浆的海洋。（图片来源：http:// en.wikipedia.org/ wiki/Future_of_ the_Earth）

每天、每月都在变长……

其实，早在太阳变成红巨星之前很久，我们就可以看到地球自转和月球轨道发生的变化。读者可能已经知道，月球是地球上海洋潮汐现象（涨潮、落潮）的“策划者”，它离地球这么近，地球两端的海水受到月球的引力相差很大，海水于是沿着地月连线方向“肿”起来，而地球和它表面的海水都在自转，也就是说，海水转到正对月亮（月亮在头顶）的时候，就显得涨起来，转到侧向月亮（月亮在地平线上）的时候，就显得落下去。这么多海水在地球表面时涨时落，必然会产生极大的粘滞（或者说摩擦）阻力；要维持这个运动，就需要很大的能量。而这能量，主要是从地球的自转和月球的轨道运动那里“偷”来的。结果就是，由于拖了海水这个“累赘”，地球自转渐渐变慢了，月球公转也逐渐变慢，而且一点一点远离地球而去。换句话说，“一天”（大约是地球自转一周的时间）和“一月”（大约是月球公转一周的时间）都变长了。每过100万年，地球上的“一天”会增加12秒的长度，而月地距离则增加22千米。数字本身并不大，但在几十亿年的时间里，它不断地积累着。

理论上说，由潮汐产生的这两个过程会一直持续，直到地球的自转周期与月球的公转周期相同，或者说，直到1个月只有1天的时候为止。在地月系统中，达到这一平衡需要约500亿年，那时的“一个月”等于“一天”——约等于现在的47天。不过，显然，地月系统根本就没有这个时间去达成平衡；前面已经说过，大约在几十亿年后，太阳就将烤干地球表面的海洋，而没有了海洋，也就不存在给地球和月球“拖后腿”的潮汐了。不过，月球看来很难在太阳的红巨星阶段幸免，因为它的轨道将可能受到巨大的扰动，月球最终不是撞向太阳，就是撞向地球。

太阳系的稳定性

我们太阳系的年龄已经超过45亿岁了。除了刚诞生后不久发生过几次大的行星碰撞事件，太阳系一直还是比较稳定的，到现在也没有什么太大的变化。时间流逝，很多彗星和小行星撞上行星和太阳，或者被抛出太阳系，或者有了相对稳定的轨道。比较大的天体与地球相撞的事件越来越少。太阳系现在这种稳定的状态至少会持续几十亿年。

不过，太阳系各行星的轨道是在慢慢变化的。科学家可以用计算机模拟将来会在太阳系内发生的事情。现在看来，水星是八颗行星中轨道最不稳定的，它也将第一个“出局”。如果测得各行星现在精确的位置和速度，计算机模拟就能够预测，水星最终会撞上太阳、金星、地球中的哪一个，或者还是会因轨道改变而与木星来一次“亲密接触”（密近交会），然后在木星强大引力的影响下被“踢出”太阳系。不过，要准确地算出结果，我们需要甚至小于1毫米的测量精度——显然，我们现在还没有这个能力。由于所谓的“蝴蝶效应”，对太阳系的任何一颗行星、卫星、乃至小行星的原始测量的微小误差，都将对结果产生巨大影响。因此，水星的结局究竟如何，现在还没法确定。我们现在能做的，只是接受计算机给出的几种可能结局，然后静静地等待，看看几十亿年后降临的是哪一个。

从更长的时间尺度上看，太阳将演化成一颗红巨星，将水星、金星、甚至地球吞入腹中。在相对短暂的红巨星阶段之后，太阳将抛掉外层大约三分之一的质量，内部凝结成一颗白矮星——这颗白矮星比现在的太阳质量要小。行星受到“太阳”的引力变小了，轨道也会发生变化。如果地球有幸在红巨星的“折磨”中生还，它之后的轨道将扩大到相当于现在火星所在的位置。当然，火星和其他行星的轨道也将扩大。这些轨道的变化（不仅大小，行星轨道的形状也会发生变化）很可能引发不稳定，进而在所剩无几的行星中向太阳系外再“甩”出几颗。不仅如此，由于“太阳”的引力变小了，很多遥远的太阳系天体（如奥尔特云里的彗星和矮行星赛德娜等）将完全脱离太阳系。而这个残存下来的行星系统（由一颗白矮星和几颗行星组成）将继续存活几十亿年。

银河系和仙女座星系的大碰撞

我们更大的“家”——银河系，在未来也并不安全。银河系与仙女座星系和其他几十个矮星系共同组成了“本星系群”。在“本星系群”中，很多星系都在相互碰撞。事实上，大麦哲伦云（LM C）和小麦哲伦云（SMC）就正在与银河系的碰撞当中，不出十亿年，它们就将成为银河系的一部分。更令人关注的是，本星系群中最大的星系——仙女座旋涡星系也正以惊人的每秒300千米的速度，迎面向着银河系冲过来。两个星系将在大约40亿年后相撞，然后融合成为一个大型椭圆星系。不过，由于恒星和行星的系统相对于整个星系来说实在是太小了，这个“大碰撞”看来并不会对太阳系内部产生太大的影响——虽然星系碰撞催生的大质量恒星有可能在附近发生超新星爆发，威胁地球上的生命。（能够发生超新星爆发的大质量恒星一般寿命都很短，从诞生到爆发可能只需要几百万年，与太阳系的寿命相比，就好像一瞬间一样。）不过，两个星系碰撞后，太阳系将有1 2%的可能性被整个地抛出这个新形成的椭圆星系。在更长的时间里（4500亿年），本星系群的所有星系将融合成一个巨型星系。

仙女座星系现在正在与银河系迎面相撞的途中。这幅艺术家的想象图展示了从地球看去，两个星系碰撞过程中一系列可能的图景。左上第一幅图描绘出今天银河和仙女座星系的样子，最后一幅图则是两个星系融合形成的椭圆星系可能的样子。（图片来源：http://science.nasa.gov/science-news/science-atnasa/2012/31may_andromeda/）

我们可观测到的宇宙边界将发生变化

时间尺度越长的事情我们对其的确定性也越小。不过，我们知道，宇宙是在膨胀的，而且是在加速膨胀。本星系群中的星系相距很近，引力能够使它们聚拢在一起，甚至最后融合成一个超级星系；星系团和星系团之间可就不是这样了。星系团彼此之间的距离是那样遥远，之间的引力几乎可以忽略不计；它们将随宇宙的膨胀一起，彼此加速远离（退行）而去。由于光速是有限的，而宇宙在加速膨胀，这些星系（团）发出的光线（辐射）到达地球所需的时间就越来越长——退行速度超过光速的天体，我们就看不到了。1 000亿年以后，宇宙的膨胀速度将如此之快，以至于本星系群之外的任何天体发出的光，都没法再被我们看到。换句话说，我们“可观测的”宇宙就只剩下本星系群的范围了，除此以外，我们将什么也看不见。

在遥远的将来，恒星将停止发光

45亿年前，我们的太阳从一片巨大的气体云中诞生。从那以来，它无时无刻不在为我们提供着光和热，直到它大约1 00亿岁寿终正寝时。在太阳的生命结束之前，它将膨胀成一颗红巨星，到那时，水星、金星、甚至地球都有可能会被这个巨大的火球吞噬。之后，太阳将抛掉它外层的大气，剩下的部分塌缩成一颗白矮星。这颗白矮星将非常炽热，发出青白色耀眼的光芒。它没有任何能量来源，它只是一个慢慢冷却的炽热天体而已。经过几百万年，这颗白矮星将渐渐变冷、暗淡下去。

地球上绝大多数的原子都非常稳定。其他的（如铀和钚）稳定性则差些，通过衰变过程，它们会变成更小的原子并释放出辐射。其实，在极长的时间尺度上，所有的物质都是不稳定的，在很多、很多万亿年后，一切物质都将衰变为辐射。（图片来源：http://adrippingtap. wordpress.com/2013/01/11/ radioactive-waste/）

宇宙中的恒星之所以能够发光，是因为它们的内部有源源不断的能量供应——核能。不过，这一能源也并非是永恒不变的，因此恒星也有自己的寿命。恒星消耗其可用能源的速率与恒星自身的质量有着密切的关系。大质量的恒星将更快地耗尽自身的能源，只能“活到”几百万岁而已，而小质量的恒星则可以“活到”一千亿岁。当恒星中可用的核能耗尽，依照质量的不同，它们将变成白矮星、中子星或黑洞。这三种恒星残骸都没有内部的能源。白矮星和中子星会慢慢地冷却、变暗，而黑洞则几乎根本不辐射任何光线。

好在，新恒星还在不断形成。它们一部分由原初气体（大爆炸留下的气体），一部分由再生气体（其他恒星抛射出的气体）凝聚而来。原初气体中基本上只有氢和氦两种元素，而再生气体中则会包含如氧、碳、氮、铁等其他宇宙中存在的较重的元素。不过，如果我们等得足够久，虽然宇宙中可供凝结的气体很多，但新恒星不断地形成，这座气体库也终将枯竭，不再有任何新恒星能从中诞生出来。确实，老恒星在死亡的时候会把外层的大气返还到星际空间当中，这是一种“再生”；然而这种再生并不完全，仍然有一部分物质会变成白矮星、中子星、黑洞、行星这类天体，于是物质将被永远锁在里面，成为无法回到星际空间中去的“黑”天体。当然，将宇宙中的气体全部耗尽所需的时间长得难以想象，不过，我们的宇宙不是有的是时间吗？宇宙的气体库存慢慢变少，新恒星的诞生也就变少，能够把气体“归还”宇宙的临死的恒星也变少。如果我们等待足够长的时间，最终将没有恒星诞生、没有恒星死灭，原来的全部气体都被锁进了“黑”天体里。

在遥远的未来，当恒星形成不再发生的时候，照亮银河系的将只有已经存在的恒星。而这些恒星的寿命也都有限，它们也终将一个个死去。在1～1000万亿年后，银河系将变成一个黑暗的地方。也许偶尔会有一团气体足够形成一颗新恒星，或者会有两颗白矮星相撞发出短暂而明亮的闪光，但也仅此而已。白矮星、中子星和行星将渐渐冷却到极低的温度，不再发出辐射，而黑洞则一直“黑”下去。

行星系统和星系的崩溃

当所有恒星不再发光，宇宙将变得一片漆黑，但引力会继续工作着：行星仍然围绕白矮星、褐矮星、中子星或黑洞公转，银河系中的这些天体则绕银河系中心公转。天体之间发生密近交会的机会是很少的，但如果我们等得足够久（譬如说，1 000亿年），这些偶尔发生的密近交会将足以摧毁之前存在过的任何行星系统。所有这些留存下来的天体将围绕新形成的超级星系的中心运行很长一段时间，但即使它们也会受到密近交会的困扰，或者就是不小心撞向星系中心的超大质量黑洞。在1 00,000,000万亿年后，宇宙中将不再有星系。

物质的衰变——原子和黑洞也将消失

我们已经讨论了很长的时间尺度，不过，由于宇宙拥有“宇宙中的全部时间”，我们不妨看看，再继续走下去，这个思想实验将得出怎样的结果。在极长的时间尺度上，普通物质（原子和分子）甚至也将不复存在。一些原子，如铀（Uranium）和钚（Plutonium），在相对短的时间里有较强的放射性（这也是它们会伤害到我们的原因）。其他原子的放射性半衰期则要长得多。在极长的时间尺度上，宇宙中所有的原子都是不稳定的。可能在1040年左右（1后面跟着40个0！）之后，所有幸存的白矮星、中子星、褐矮星和行星都将彻底“蒸发”成为辐射。那时，宇宙里将只剩下黑洞和这些辐射。

黑洞是神秘的天体：物质和光可以进入，但没有什么东西能够离开。至少，我们在学校里通常是这样讲的。严格来说，这样并不完全正确，因为事实上，由于所谓“霍金辐射”（以英国天文学家斯蒂芬·霍金的名字命名）的存在，黑洞的质量也会缓慢地流失出去。在天体物理研究中，鉴于霍金辐射极为缓慢，通常会被忽略。不过，在极长的时间尺度上，这个过程最终将会使整个黑洞完全“蒸发”成纯粹的能量。一个普通的太阳质量的黑洞蒸发掉大约需要1067年。但是由于宇宙有的是时间，而且将一直膨胀下去，所有的黑洞最终也都会消失。最大质量的黑洞——星系中心的超大质量黑洞，大约会在1 0106年后消失。从此，宇宙中将仅剩下辐射（或者可能还有一些中微子之类的轻子）。由于宇宙将一直膨胀下去，这些辐射将会分散到一个很大的空间里去，也就是说，宇宙的温度将会冷却到接近绝对零度。

经过这一系列过程，宇宙将变成一个又黑又冷的世界，没有任何物质，甚至没有黑洞。这听起来很无聊。一些科学家思考了接下来还会发生什么——事实可能不像想象的那么无聊。读者也许知道，有一种称为量子涨落的效应，是说真空中可以自发地“生”出新的粒子来。这确实是可能的，只是概率比较小罢了。如果我们等得足够久，两个、十个、或者一百万个粒子都可以凭空生发出来。事实上，如果我们知道的这种量子机制是正确的，甚至整个宇宙都可能从真空中凭空诞生出来！发生这事的可能性几乎是零，不过，宇宙是要一直永远不停地膨胀下去的呀……

蟹状星云是大约一千年前爆发的一颗超新星的遗迹。图中美丽的颜色显示了超新星爆发时抛射出的不同物质。将来，这些物质将成为产生新恒星的原料，它们将继续照耀这个世界数百万年。蟹状星云的中心是一颗中子星，它正在缓慢地冷却，发出微弱的光。中子星中的物质将永远地被锁在星体里，不能再成为任何新恒星的一部分。（图片来源：http://en.wikipedia.org/wiki/Nebula）

这一切对我们来说意味着什么？

思考宇宙将来会发生的事情，这确实是件有意思的事。但是，上面讨论的这些过程都是在极长的时间尺度上发生的，远远长于人的寿命、人类文明的寿命、乃至太阳系和银河系的寿命。所以，这一切对我们来说意味着什么呢？答案很简单：现在可能对我们没什么用，思考这个问题看来并不能帮助我们解决现在地球上遇到的任何问题。尽管如此，（科学地）思考我们的宇宙未来会发生什么，这本身或许就很有乐趣。好奇心驱使着天文学家一刻不停歇地思考着这个世界上的事情。而且，如果仔细读了前面一段文字，读者一定会发现，宇宙遥远的将来甚至可能为宇宙的起源——大爆炸——提供一些可能的启示！