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    我们的宇宙将如何结束?当宇宙最大熵状态时,能逆转结局吗?

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      爱因斯坦

      几个世纪以来,关于我们宇宙的最大问题是哲学问题。我们来自哪里?我们如何来到这里?以及我们未来方向是什么?都是诗人和神学家的问题;科学对所有最伟大的宇宙奥秘都没有答案。在过去的一百年中,所有这一切都发生了变化,我们知道是什么构成了宇宙,以及它是如何形成的。我们知道宇宙大爆炸的原因,并为它的设定提供了坚实的物理理论来解释它。

      我们的宇宙将如何结束?当宇宙最大熵状态时,能逆转结局吗?

      图注:已知宇宙中有两万亿多个星系,每个星系平均包含数千亿颗恒星,未来还会有无数的恒星诞生。然而,这一切终有一天会结束,对,就是这样。图片: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)

      现在我们知道暗能量和宇宙加速度膨胀,决定了宇宙最终的命运。但是当那一时刻到来时会发生什么呢?什么时候我们的宇宙会达到最大熵点?在遥远的未来,我们的宇宙还有什么其他存在的可能性?为了解决这个问题,让我们先从我们今天的位置开始,当把时钟向前推进到未来时,然后看看在人类了解它们的物理定律下发生了什么!

      我们的宇宙将如何结束?当宇宙最大熵状态时,能逆转结局吗?

      图注:这是遥远宇宙有史以来最伟大的影像,在仅有1/32000万天空的区域,发现了5500个可识别的星系,全都归功于哈勃太空望远镜。由于空间的不断膨胀,在这里看到数以百计最遥远地方已经无法到达,即使光速也是如此。图片:NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)

      可观测到的宇宙充满了大约2万亿个星系,占据了我们可以在四面八方照射460亿光年的太空区域。经过近140亿年的宇宙演化,几乎每个星系都充满了大量的重元素,能够形成岩石行星,有机分子,以及每个形成新星的生命基石。我们自己的银河系包含大约4000亿颗恒星,并且被绑在本超星系群中。在星系群和星系团之间,是由暗能量支配膨胀的空间结构:空间本身固有的能量。然而随着时间的推移,与宇宙结合在一起的所有东西都将逐渐消失。

      我们的宇宙将如何结束?当宇宙最大熵状态时,能逆转结局吗?

      图注:一系列模拟图片展示了银河系和仙女座星系的合并,以及天空在发生过程中与地球的不同。这一合并将在未来大约40亿年发生,伴随着巨大的恒星形成,导致一个红色死亡,无气体的椭圆星系:Milkdromeda。图片:NASA; Z. Levay and R. van der Marel, STScI; T. Hallas; and A. Mellinger

      首先是气体,对于新形成的恒星至关重要。随着引力相互作用的发生,无论是在星系内还是在不连接的星系之间,气体云团都会塌陷成星云,从而形成新的恒星。最大恒星形成区域可以是整个星系的大小:星爆星系。当银河系与仙女座合并时,这将在未来40亿年发生在我们身上。合并后剩下的将会是一个巨大椭圆星系,包含了大量的新恒星,但几乎没有任何气体。目前恒星的形成在大约10- 110亿年前达到了宇宙的顶峰,此后一直在下降。虽然偶尔会有气体云或恒星残余,给宇宙带来新的恒星、行星和生命的机会,但即使在今天,这已经是严重的衰退了。

      我们的宇宙将如何结束?当宇宙最大熵状态时,能逆转结局吗?

      图注:图中可以看到各种各样的星系和星系群,包括我们所在的本超星系团——都是独立的,但是它们之间的空间正在扩大。图片:Andrew Z. Colvin / Wikimedia Commons

      每个星系都是一个束缚结构的一部分,就像我们所在的本超星系团中60个左右的星系,或者室女座超星系团中的约1000个星系,它们将继续结合在一起。在跨越数百万光年的区域,引力已经成功地克服了宇宙的膨胀。然而大约60亿年前,暗能量主宰了宇宙的膨胀速度。任何结构在发生转换时都没有被引力束缚,它们就会远离其他结构。本超星系团中的星系将继续结合,最终汇合成一个巨大的星系,而其他星系则会加速消失。经过一到两千亿年的时间,Milkdromeda 将成为我们整个宇宙中唯一可见的星系

      我们的宇宙将如何结束?当宇宙最大熵状态时,能逆转结局吗?

      图注:寿命最长的恒星质量最低,颜色最红,并且会燃烧数万亿年。但是如果有足够的时间,它们也会变黑,因为宇宙已经耗尽了燃料来供应现有的恒星并创造新的恒星。图片:Wikimedia Commons user Fsgregs

      然而,恒星本身将继续燃烧很长一段时间。宇宙已经有138.2亿年的历史,但今天最长寿的恒星——低质量红矮星将会继续非常缓慢地燃烧其燃料:也许超过100万亿年。之后会冷却并收缩,变成变成白矮星,并最终变暗,这一过程可能会上升到千万亿(10^15)年。即使如此,宇宙中仍会有新的闪光,耀斑和其他形式的照明机会。褐矮星本身是失败的恒星,它们最终会相互碰撞并合并,如果它们超过这个极限就会出现新的恒星。中子星或白矮星合并将会产生短暂的能量爆炸。在一个黑暗的宇宙背景下,偶尔的新光源仍然会出现在银河系遗迹中。

      我们的宇宙将如何结束?当宇宙最大熵状态时,能逆转结局吗?

      图注:由于引力波,我们已经发现褐矮星的分离和合并场景与已经发现系统分离的时间很长。但碰撞很有可能,就像红星碰撞产生蓝离散星,褐矮星碰撞可以产生红矮星。在足够长的时间内,这些“光点”可能成为照亮整个宇宙的唯一光源。图片:Melvyn B. Davies, Nature 462, 991-992 (2009)

      但在大约10^17年后(约为宇宙现代的一百万倍)一些东西开始迫使星系本身衰减。飞过星系的尸体,包括黑洞,中子星,黑矮星,流星小行星,彗星和行星,开始在引力作用下相互作用。给定足够的时间,两个物体会随机相互靠近。当它们在星系内部这样做时,通常会发生的一件事是,其中一个整体与星系更紧密地联系在一起,而另一个则受到引力“踢”,可能将其推入星系间空间的深渊。大多数恒星残余物将以这种方式从星系中抛射出来,但其中很小一部分(<1%)会与另一个相撞并合并,从而产生短暂的闪光。

      我们的宇宙将如何结束?当宇宙最大熵状态时,能逆转结局吗?

      图注:当年龄较大的恒星或甚至恒星残余物合并在一起时,蓝色散射星将在插图中圈出。在最后一颗恒星烧毁之后,同样的过程可能会给宇宙带来光明,尽管它还是短暂的。图片:NASA, ESA, W. Clarkson (Indiana University and UCLA), and K. Sahu (STScl)

      到宇宙大约10^23岁时,这个过程应该是非常完整的。无论星系中哪些稳定的物体存在,它们可能只是少数太阳系残余物和黑洞,现在将会看到它们的轨道开始引力衰减。今天驱动黑洞和中子星双星相同过程将最终导致所有轨道运动衰减。对于太阳周围的地球(或其他所有的剩余部分),需要在10^30年的时间内将地球旋入太阳系的中心区域。过了足够的时间,一切都会塌陷成剩余的质量,或者被弹射出来,这样它就会在真空的深渊里被寂寞所包围。

      我们的宇宙将如何结束?当宇宙最大熵状态时,能逆转结局吗?

      图注:球状星团内的恒星紧紧地束缚在中心,并经常融合,但在空旷区域,由于引力放松,所以弹出的很星很常见。即使当内部的引力质量不再发光时,我们(和每一个)星系的时间也足够长,也会发生同样的过程。图片:M. Shara, R.A. Safer, M. Livio, WFPC2, HST, NASA

      在很长很长的时间里,除了那些尚未实现的失散者外,几乎没有其他事情发生:被从星系中弹出,或另一个天体相撞,或者融入星系中心的超大质量黑洞。

      我们的宇宙将如何结束?当宇宙最大熵状态时,能逆转结局吗?

      图注:引力辐射会在质量轨道上被释放出来,这意味着在足够长的时间内,轨道会衰变。在第一个黑洞蒸发之前,地球将螺旋进入太阳的剩余部分,假设之前没有别的东西把它驱逐出去。图片:American Physical Society

      这些事件可能还会发生,但随着宇宙中剩余的残留越来越少,它们变得越来越稀少。然后在大约10^68年后,由于霍金辐射,最小质量的黑洞最终开始完全衰减。当黑洞蒸发时,所有质量都转化为纯粹的黑体辐射,不论是物质还是反物质,都是有利于物质的。

      不知何故,我们怀疑制造这些黑洞的粒子(以及它们的重子和轻子数)不再重要;即将离开的辐射已经失去了曾经在宇宙中占据反物质主宰地位的信息。黑洞越大,蒸发时间就越长。最后在大约10^120年之后,宇宙中最重质量的黑洞终于完成了它们的蒸发过程.,也最终完全蒸发消失。

      我们的宇宙将如何结束?当宇宙最大熵状态时,能逆转结局吗?

      图注:当黑洞由于霍金辐射而失去质量时,蒸发率就会增加。经过足够的时间,一束耀眼“最后的光”被释放在一股高能黑体辐射中,这种辐射既不受物质的影响,也不受反物质的影响。图片:NASA

      现在宇宙是冷的,空的,没有界限的结构。剩下的就是行星和恒星尸体,通过这个空洞的,无星系的空间这个无法估量的巨大深渊中被寂寞所冲击。可能存在孤立的暗物质晕,黑矮星,以及曾经从黑洞出现的辐射,但它会非常稀疏,即使在宇宙的整个时代以近光速行进,不可能遇到其他事情。随着量子物理定律的生效,一切都会冷却到接近绝对零度,这就是宇宙最大熵的状态,宇宙终究会达到“热死亡”,因为不再有任何可用能量能够进行运作。

      我们的宇宙将如何结束?当宇宙最大熵状态时,能逆转结局吗?

      图注:宇宙遥远的命运提供了许多可能性,但如果暗能量真的是一个常量,如数据所示,它将继续沿着红色曲线走向,导致这里描述的长期情景:“热死亡”。图片:NASA / GSFC

      唯一的出路是:如果暗能量不是宇宙常数,黑洞实际上是通向另一个宇宙的门户,或者有新未被发现的物理学,这将改变这种看似不可避免的命运。暗能量可能会随着时间的推移而增加,导致巨大的破裂,一个新的宇宙膨胀状态,然后是一个巨大的爆炸,或一个潜在的复苏的宇宙。坠入黑洞可能是通往新宇宙和新宇宙大爆炸的途径,其空间维度可能比我们过去所习惯的三维大。

      或像艾萨克阿西莫夫曾经推测的那样,新物理学可能导致熵的箭头,时间的热力学箭头扭转自身。但所有这些都是推测,并且基于我们目前不接受的物理学。如果以物理定律和宇宙的规律为代价,宇宙中所有事物的缓慢而逐渐死亡是最终的命运。如果我们出生在几千亿年后,可能永远不会知道导致我们走向这个不可避免结局的宇宙故事。

      博科园-科学科普|文 / Ethan Siegel / Forbes Science / S.W.A.B

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