宇宙的最终命运，本文主要内容关键词为：宇宙论文,命运论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
宇宙的最终结局到底是哪一个呢？其决定因素就是宇宙的总质量。围绕这个最关键的数据，科学家们展开了积极地研究，尤其是要搞清神秘的暗物质到底是什么，它的数量又有多少。李政道认为这问题是21世纪的四大科学问题之一。
我们大家都知道，无序和混乱是在不断增加的，我们必须为消除这些无序和混乱而奔波。无序和程度总是在不断增加，而在科学上衡量一个物理系统混乱程度大小的物理量称为“熵”。系统混乱程度越高，熵就越大。
一个物理系统的有序性的高低意味着有效能量的多少。热力学第二定律指出，一个孤立的系统，也就是一些物体构成的一个整体，如果不能同外部环境交换物质也不能交换能量，整个系统的无序程度总是趋于增加。这就是“熵增加原理”。如果要使系统的熵减少，就必须从外部补充能量。宇宙是个封闭的系统，不存在一个它可以获取能量的“外部环境”。因此，按照热力学第二定律，虽然它局部的熵可以减小，但整个宇宙的熵却是在不断增加的。
在大爆炸后的瞬间，宇宙处在有序性最大，即熵最小的条件下，这足以导致恒星、行星和生物体的形成。但由于宇宙的熵是在不断增加的，总会有一天每个星球的热量都释放殆尽，宇宙中各处的温度都完全均匀一致，熵达到最大值，一切能量都不再能做功，只剩下分子的随机运动，这时的宇宙一片死寂荒凉。这就是“热寂论”给出的宇宙的最后结局，一个令人沮丧的前景。但也有人提出了另外的可能性：宇宙也可能停止膨胀，转而收缩，那么熵也会开始减小。如果这样，宇宙将会重新变得越来越井然有序——冰山会从越来越热的水中长出，碎瓷片会自动聚合起来形成杯子，死人也复活。这听起来荒谬吗？也许不。
如果我们向空中投掷一粒石子，它迟早会落下来。而投射速度越快，石子就飞得越高。如果我们不断增加石子的初始速度，它就会最终脱离大气层，在围绕地球转动的轨道上运动。但存在一个极限速度，一旦超过这个速度，石子不但不会再落下来，也不再围绕地球运动，而会摆脱地球引力的约束。这就是逃逸速度。对于地球来说，这个速度为每秒11.2公里，而太阳的逃逸速度则更大。一般来说，每个天体都有自己的逃逸速度，其大小取决于“母体”的质量和相对于“母体”的距离。对于黑洞来说，其视界内的逃逸速度高于光速，因此，一切难逃黑洞的魔掌。
宇宙正在膨胀，其表现犹如从地球表面抛向高空的一粒石子。如果宇宙的密度足够高，那么膨胀迟早会停止，然后代之以收缩。这是一个“封闭”(closed)的宇宙模式。在膨胀期结束之后，星系会越来越接近，直到互相碰撞，相互吞并。目前宇宙微波背景辐射的温度只有2.7K，但当宇宙收缩时，这个宇宙将会变得越来越热：夜晚的天空将变成红色，然后是黄色，随后变成白色。当宇宙背景温度超过恒星的内部温度时，恒星将会解体。原子核将变成碎片，只剩下由基本粒子构成的“海洋”。从中也将产生巨大无比的黑洞，在许多星系的核心都有这种黑洞存在。在宇宙生命的最后时刻，由不可避免的万有引力控制的收缩会越来越快，越来越大的质量将集中到越来越小的空间中。最终，一切东西，包括空间和时间，都将化为乌有，被大坍缩毁灭，宇宙的全部历史都将被抹去。从时间上讲，大坍缩是创生一切的大爆炸的镜像。
这就是宇宙的大结局吗？不好说。一些宇宙学家认为，大坍缩可能向前跃变成一次新的大爆炸，从而产生一个焕然一新的独特的宇宙。我们眼下生活在其中的这个宇宙没准就诞生于前一个宇宙的灰烬中，它不过是振荡的宇宙链条上的一环而已。这个链条无论过去还是将来都无边无际。
但是，如果宇宙的密度不够大，就不会形成“封闭”的宇宙。在这种情况下，宇宙就是“开放”(open)的，其最终命运将不再是令人难以忍受的炙热，而是令人生畏的严寒。星系间的相互距离将会越来越远，恒星逐渐熄灭，其中最长寿的恒星将幸存数千亿年。巨大的黑洞最终将吞噬大部分物质，然后像霍金预测的那样，由于量子效应而蒸发。在经过万亿亿亿年之后，质子也衰变成γ射线。这个时间当然是很长的，但却总是一个确定的时间。最后，只剩下越来越冷的一片辐射，永恒存在。另外还存在第三种可能：宇宙的密度可能恰到好处。在这种情况下，宇宙即不是封闭的，也不是开放的。它将最终停止在一个状态下，既不再收缩也不膨胀。
宇宙的不同命运可以和不同性质的表面联系在一起。因为根据爱因斯坦的广义相对论，质量可以使时空结构发生弯曲。但没有人（即便是理论物理学家们）能够想象出一个弯曲的四维时空是什么样子。因此，我们必须降低自己的奢望，将自己想象成一个生活在两维平面上的扁平生物。这样，一个“封闭的”宇宙就可以用一个球来表示。而一个球的面积即是确定但又是无限的（因为我们可以在其上自由移动，从来找不到边界）。这个球产生于一个点（大爆炸），膨胀一定时间后停止，然后又开始收缩，最终重新回到一个点（大坍缩）。“开放的”的宇宙则可用一个马鞍形的面来描述，它的面积是无限的，本身是无界的，将会处于永久的膨胀之中。而介于两者之间的情况则可用一个平面来表示。对于所有这样模式，在其表面上都不存在一个“宇宙中心”，不论从那一个点上都可以得出这样的印象：在膨胀过程中，所有其他的点都同时正在相互远离。这正如我们的三维宇宙中所发生的一样。
既然宇宙的命运可能存在三种可能，那么我们现在必须看一看究竟哪种情况将会实际发生——是收缩、永远膨胀，还是静止不动？为了做到这一点，我们必须把宇宙的膨胀速度和宇宙中包含的物质总量相比较。经过哈勃天文望远镜和新一代大型地面望远镜的观测，天文学家对膨胀速度的测量已经变得越来越精确了，但关于宇宙中物质总量的问题却一直悬而未决。
要弄清这个问题，我们必须首先从计算所有的可见物质的质量开始。我们很清楚太阳的质量，另外我们还知道银河系的质量约等于5000亿个太阳质量。然后，我们可以再估计可以观测到的星系的总数——大约为1000亿个，这样可以估算出它们的总质量大约为10[53]公斤。这个数字很庞大吗？不！如果宇宙中再没有其他形态的物质了，那么我们得出的必然结论是：宇宙的物质密度过小，因此不足形成封闭的宇宙，宇宙的未来必将是一个无法阻止的寒冷世界。
但事实并不是这样简单。我们还知道，我们所能观察到的物质并不是宇宙中的全部，大部分的质量，相当于可以观察到的质量的十倍甚至百倍，是看不到的“暗物质”(dark matter)。尽管我们看不到它们，但却依然可以感觉到它们的存在，因为它们同样可以产生引力作用。那么，这些的确存在但又看不到的暗物质究竟是什么，它们的性质究竟是怎样的呢？一些科学家指出，这些暗物质可能就是包围着星系的晕圈，它们是由一些棕矮星、体积太小不足以引发热核反应的恒星、由分子氢包围的冰冷和暗淡的星球组成。另外，中微子也可能是暗物质的组成部分。中微子曾经被人们认为是静质量为零的粒子，但近几年的一些实验却表明，它们是有质量的，因此也对宇宙物质总量有一份贡献。另一种假设则认为，暗物质由WIMP（弱作用重粒子）组成的，科学家已经为这些粒子取了几个古怪的名字：引力微子、光微子、胶微子。研究人员认为，WIMP的质量至少比质子大50倍。
假如宇宙中暗物质的量足够大，宇宙就可能是平坦或封闭的。但在对充满宇宙空间的暗物质的性质及数量所知不多的情况下，我们还无法确切说出宇宙的最后命运将是怎样的。此外，我们目前对膨胀速度的测量数据也还有相当不确定性，因此所有问题都还是悬而未决的。尽管许多天体物理学家认为，就是加上暗物质的作用也不足以阻止宇宙继续膨胀，使宇宙“封闭起来”。不仅如此，近来对遥远的超新星的研究似乎表明，宇宙不仅正在膨胀，而且膨胀的加速度还大于预期，这可能缘于一种目前人们还不了解的物质产生的斥力。科学家称其为“暗能量”。
无论是封闭的还是开放的宇宙，它的最终命运都是令人颓丧的。但这并不是最坏的，有一些科学家还为我们描绘了另一种更糟糕的可能。
从量子力学的观点来看，真空并不是不存在任何物质和能量的空间。真空中，基本粒子及其反粒子总是在不断出现和消失，这些粒子来而无形，瞬间就会湮灭消失。这种迸发式的出现和消失可能或多或少带有能量，或者称为“激发”。在此期间，宇宙发生了巨大而急速的膨胀，随后则进入到现在更加稳定的“真真空”状态。但真实也许并非如此。
物理学家悉尼·科尔曼和弗兰克·德卢恰认为，宇宙目前的状态可能并非处于“真空”，而是处于一种“半稳定的真空”状态，或者说它可能在很长一段时间内处于稳定状态，这段时间可能有数百亿年，但这种状态并不会长久稳定维持下去。按照他们的观点，“真空”可能在任何时间，在宇宙的某个点产生，并从那里开始膨胀。膨胀的气泡壁以光速运动，在气泡壁内部，粒子发生了最终翻天覆地的变化，而能量和“真空”的压力使气泡内的所有东西沉淀为独特的时空，规模无限，密度无限。因此宇宙的命运既不是永恒的膨胀，也不会发生缓慢的收缩，而是一种突然死亡。宇宙中的任何东西都无法逃脱。两位科学家把它称为“最终生态大灾难”。而可悲的是，我们不能因提前发现将要到来的灾难而未雨绸缪，因为无论什么都无法超过光速运动，因此，任何预示会发生不测的信息都不会先于气泡传递到我们身边。当我们知道时已为时晚矣。这一切可能都已经发生过了。也许“真真空”现在正在每个地方开始膨胀，而我们的命运已经定了。