万物的终结:宇宙可能被毁灭的5种方式

2022年9月15日08:38:34万物的终结:宇宙可能被毁灭的5种方式已关闭评论


    一切事物最终都要结束--但这是否包括宇宙本身?如果是这样,如何结束?又是什么时候?也许很难想象一场大到足以影响整个存在的灾难,但物理学家们确实期待这一切在某个时刻结束--而且可能比我们想象的更快。以下是一些关于宇宙如何以及何时结束的主要假设。
    万物的终结:宇宙可能被毁灭的5种方式
    为了弄清楚宇宙是如何结束的,物理学家们将目光投向了起点。大约138亿年前,空间和时间从一个极其密集的奇点爆发出来,这一事件被称为宇宙大爆炸(Big Bang)。宇宙从那一刻起迅速膨胀,物质冷却并凝结成星系以及它们所包含的所有恒星和行星。
    但宇宙仍在膨胀,而且速度越来越快,这要归功于一种神秘的力量,科学家们称之为 “暗能量”。正如这个名字所暗示的那样,科学家们对这种力量的工作原理或为什么它将一切事物推离其他事物知之甚少,但它对宇宙的最终命运有一些相当重大的影响。其结果如何,取决于研究人员如何调整模型中的数字。
    “大冻结”(The Big Freeze)
    根据科学家们对宇宙演化的最佳模型,最可能出现的情况是所谓的“大冻结”。如果暗能量一直在加速宇宙的膨胀--而且计算表明它将如此--那么宇宙将面临一个缓慢的死亡,这种死亡会持续长达数年。这个深不可测的数字是一个1后面跟着100个0。
    如果能在数十亿年内快进地观看一片天空,星星会开始变红,然后完全消逝。这是因为不断膨胀的宇宙会将它们的光的波长向光谱的红色端延伸得越来越远,然后使眼睛完全看不到它们。
    当然,即使你看不到它们,遥远的恒星和星系仍然会存在--至少在几万亿年内。但是一段时间后,膨胀会稀释漂浮在太空中的尘埃和气体,直到没有足够的物质集中在任何一个区域来推动新星的诞生。由于没有更多的恒星诞生,恒星最终会燃烧殆尽,最后将死亡。
    于是,宇宙的“衰退期”开始了,从现在起大约100万亿年。到这时,只有白矮星、中子星和黑洞存在,但这些也将逐渐消失--白矮星和一些中子星将慢慢冷却成看不见的惰性黑矮星,而其他中子星将坍缩成黑洞。到了10 tredecillion(一个1后面有43个0),除了黑洞之外就没有其他东西了。而且,即使这些黑洞也不是永恒的--正如霍金所预测的那样,黑洞会慢慢释放出辐射,直到最终蒸发。
    在大约1古戈尔年之后,一旦所有的黑洞也消失了,宇宙就会进入它的最后时代--黑暗时代。光和物质是遥远的记忆,剩下的松散粒子将过着最孤独的生活,很少有机会在彼此的一光年内呼啸而过,更不用说互动了。而其他的事情将永远不会发生,直到永远。
    “大撕裂”(The Big Rip)
    一个类似的情景导致了一个更戏剧性的死亡,而且要快得多。在这个模型中,暗能量不只是以稳定的速度加速宇宙的膨胀,它还以指数形式加速,最终将现实的结构撕裂--这种结局被称为“大撕裂”。
    我们所能看到的太空距离有一个物理极限,即使你有最强大的望远镜。这个限制是由光速决定的--在某一点上,天体太远了,它们的光线没有足够的时间到达地球。这个区域被称为可观测的宇宙。
    在“大撕裂”模型中,指数级加速的膨胀将越来越多的天体推到该边界之外,这意味着可观测的宇宙在不断缩小。任何两个距离超过这个边界的天体,都不能再通过基本力,如引力或电磁力,来影响对方。
    随着这个距离的缩小,宇宙的大尺度结构将开始崩溃--随着引力的影响缩小,它将无法将星系团固定在一起,它们将开始瓦解。最终,同样的情况将发生在星系本身,使恒星自行漂移。后来,宇宙事件视界将缩小到超出单个恒星系统的规模,这意味着行星将不再被束缚在它们围绕恒星的轨道上。
    在存在的最后几分钟,该事件视界将缩小到比分子的规模还要小,破坏了将物质固定在一起的力量,粉碎了恒星、行星和它们上面的一切。最后,那些松散的原子本身将被逐个粒子撕碎。最后的受害者是时空结构本身。
    提出这个模型的科学家预测,如果它真的发生,宇宙大约还有220亿年的寿命。不过值得庆幸的是,其他科学家认为这种情况所涉及的参数并不现实,所以发生的可能性比本列表中的其他一些想法要小。
    万物的终结:宇宙可能被毁灭的5种方式
    “大挤压”(The Big Crunch)
    也许宇宙将以完全相反的方式结束--它不是永远膨胀到虚无,而是改变方向,在所谓的“大挤压”中自我坍塌。
    在引力试图将万物拉在一起和暗能量试图将其推开的宇宙“拉锯战”中,科学家们通常将他们的“筹码”放在暗能量上,这将最终导致大冻结或大撕裂的结局。但我们不能完全将引力排除在外。
    如果宇宙中的物质密度足够高,其引力可以克服膨胀,并引发收缩阶段。当宇宙再次收缩时,一切都将开始向其他事物移动。与我们目前的膨胀阶段非常相似,当时活着的人不会受到直接影响--至少在接近尾声的时候。
    星系团将开始合并,然后是星系本身,最终单个恒星将更有规律地碰撞。但真正的麻烦始于宇宙微波背景--大爆炸留下的宇宙背景辐射。随着其光子向光谱的蓝端转移,这种辐射升温,直到最后它变得比恒星还热。这意味着恒星不能再向外辐射它们的热量,并将继续变得越来越热,直到它们蒸发掉。
    在最后几分钟里,宇宙的温度会非常高,以至于原子本身都会散开。他们不会有很长的时间来担心这个问题,因为他们会被吸进黑洞,而黑洞在不断缩小的宇宙中所占的比例越来越大。
    最终,宇宙的全部内容将被挤压成一个不可能的微小空间--一个奇点,就像一个反向大爆炸。
    不同的科学家对这个收缩阶段可能开始的时间给出了不同的估计。它可能还在几十亿年之后。或者,根据最近的一项研究,从宇宙角度来说,它可能很快就会到来,因为宇宙从现在起大约1亿年后会逆转。在该模型中,收缩阶段将需要大约10亿年,然后我们才会回到那个奇点。
    万物的终结:宇宙可能被毁灭的5种方式
    “大反弹”(The Big Bounce)
    但这可能不是终点。上述假设的一个变体表明,在宇宙坍缩成一个无限密集的奇点之前,它被量子过程所拯救,并再次扭转方向,开始一个新的扩张期,这实际上是一个全新的宇宙的另一次大爆炸。这个模型被称为 “大反弹”。
    虽然这听起来有点太方便了,但这个想法的支持者说,在量子物理学的世界里有一些先例--毕竟,随着宇宙向奇点缩小,它变得如此之小,以至于量子规则取代了我们熟悉的大规模经典物理学。
    在这一点上,量子隧道可以发生,粒子可以克服障碍,而从各方面来看,它们不应该有足够的能量来通过。这推动了像放射性衰变这样的过程,根据最近的一项研究,这也可能允许一个收缩的宇宙 “逃脱”完全坍缩的命运,并再次开始膨胀。
    耐人寻味的是,对大反弹的支持产生于另一个叫做圈量子引力论的理论,该理论是作为一种用量子力学解释引力的方式而产生的。
    “大反弹”假说的有趣含义是,我们可能处于一个永无止境的宇宙创造和毁灭链的中间。
    The Big Slurp
    这份名单上的最后一种末日情景可能是最令人不安的,因为它可能已经在向我们袭来,而我们在它袭来之前不会知道。这就是所谓的“伪真空衰变”或者更通俗地说,是The Big Slurp。
    这是一条物理学定律,一个系统会自然地试图变得稳定。为了做到这一点,它从一个高能量的状态移动到一个低能量的状态,直到它稳定到其可能的最低能量状态。对于量子场,这被称为其真空状态。
    人们认为,所有已知的量子场都处于其稳定的真空状态--除了一个:希格斯场。它似乎处于一种伪真空状态,这意味着它目前看起来很稳定,但被预测为不处于其最低能量状态。但这可能会毫无征兆地改变。从字面上看,任何一秒钟,希格斯场都可能突然滑入一个较低的能量状态,在这一过程中,宇宙的一大块(如果不是全部)都会被摧毁。
    所需要的只是空间中的一个小点坍缩到这种低能量状态,这将使一个真空衰变的气泡以光速向外扩张。移动速度如此之快,我们甚至无法看到它的到来。一旦我们进入这个气泡会发生什么?没有人真正确定,但它可能会改写自然规律。在这些新的物理学下,有可能出现生命 - 但宇宙可能完全不同,我们甚至无法想象。最坏的情况是,所有物质都被摧毁。
    如果有好消息可寻,那就是这个想法有很多不确定性。一些模型预测,伪真空衰变在许多亿年内还不可能发生,或者说它完全不可能发生。其他人则认为,它现在应该已经发生了,表明我们目前的宇宙可能实际上是泡沫内的奇怪的新物理学。
    希格斯场也可能比人们给它的评价更稳定。毕竟,它只是在最近才随着希格斯玻色子的发现而被证实,所以还有很多东西需要通过进一步研究来学习。