书城自然科学宇宙进化史
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第21章 宇宙的未来

宇宙未来会怎样

人们总是对未来充满着无限地憧憬和希望,人类自身及各种事物的未来或许比较容易预测,那么,宇宙的未来会是怎样的呢?

在古代,预言未来是先知或女巫的事情,而在近代,则是一些预言家的事情。对宇宙未来的预测,科学家与巫师或预言家给出的预测谁的会更准确一些,是很难评判的,但从科学的角度来看,科学家给出的预言拥有更高的可信度。

毋庸置疑,宇宙的未来取决于它两个博弈量的相对强度,这两个量就是引力和使宇宙加速的力,也就是宇宙常数。假如在未来引力更胜一筹,那么宇宙的膨胀将趋于停止,现在发生在宇宙的情况都会逆转,也就是说,我们不会再看到星系远离我们、光谱红移,看到的是星系靠近我们、光谱蓝移。宇宙的温度也会升高,星系团之间的碰撞会更加频繁。夜空开始变亮,那时的宇宙可能会重新缩成一团,走向大坍缩,并最终终结,成为下一轮大爆炸的开端,如此反复,以至无穷。我们曾假设宇宙有一个创生时刻,时间从那时产生,但如果宇宙的未来是这样的大轮回,那么我们就可以从这个假设中解脱出来,从某种程度上说,这还是令人欣慰的。

但以上假设理论中的大坍缩是永远也不会发生的。因为宇宙中物质太少了,即使将暗物质加上,引力也不够强大,不足以让宇宙的膨胀逆转,而宇宙常数的存在更会让宇宙一直膨胀下去,而且膨胀的速度会越来越快。宇宙的未来就取决于宇宙常数的大小。

我们再做一个假设,当宇宙膨胀的速度逐渐加快,最终在万物完结之前30分钟,组成恒星的物质本身也将扯成碎末,任何现在还存在着的行星也将被摧毁。那时的宇宙应该就是一个原子的海洋,可能这还不是宇宙的终结。仍在继续膨胀的宇宙继续将原子加速,直到它们也被撕裂,发出辐射。这时,原子中强大的核力也抵不过斥力,宇宙成为一个由辐射和基本粒子组成的汪洋,这与宇宙大爆炸之初非常相似,但密度低得微不足道了。以上作出的都是假设,是不是会发生需要事实或研究来说明。

在过去几百年中,我们发现了制约在所有正常情形下物体的科学定律。但至今还不知道处在一些极端条件下的物理定律,但这对我们对宇宙未来演化的预测并没有多少影响,除非宇宙坍缩到高密度的状态。因为那些定律的物理方程不稳定,没有确切的解,这就像是我们在用手旋转一个带有指针的转盘,你感觉不到每次用力的微小变化,怛指针最终却停在了不同的地方。同样,我们能精确地测量5天以内的天气情况,因为处在不稳定或混沌的系统中,通常存在一个时间尺度,初始状态下的小改变在这个时间尺度下将增长至两倍,在地球大气下,这个时间尺度是五天的数量级,约是空气绕地球吹一圈的时间。但预测5天之外,1个月之后,甚至是6个月之后的天气是非常困难的,因为这既需要大气现状的准确知识,又需要一种不可逾越的复杂计算。

即使我们知道了制约化学和生物的基本定律,在原则上能确定大脑是如何工作的,了解了制约大脑的所有方程式。但制约大脑的方程几乎肯定具有混沌行为,最初微小的改变也会导致非常不同的结果,所以,我们在实际上也是不能预言出人类的行为。科学不能预测出未来或预测出它有没有未来,因为人类毁坏和消灭环境的能力的增长,比利用这种能力的智慧的增长要快得多。

不断膨胀的宇宙

宇宙不会在乎地球上任何事物的发生、发展,绕太阳公转的行星的运动似乎终将变成混沌,尽管这个时间尺度很长。这说明随着时间的流逝,所有预言的误差都会越来越大。也就是说,长时间后的宇宙运动细节是不能被预测的。我们能肯定的是,地球在相当长的时间中不会与金星相撞,但却不能肯定,轨道上微小的变化会不会积累起来,最终导致它们在十几亿年后发生这种碰撞。

太阳等恒星绕着银河系的运动,以及银河系绕着它的局部星系团的运动也是混沌的。我们观测到,其他星系正离我们远去,而且离开的速度越来越快。这说明我们的宇宙正处在膨胀之中。不同星系间的距离随时间而增加的速率是均匀的,人们可按照一个单独的数来描述。虽然星系间的距离在增大,但人们预测不同星系之间引力的吸引正在降低膨胀率。

我们已经指出过,如果宇宙的密度大于某个临界值,引力吸引将会让膨胀停止,并使宇宙开始重新收缩,并坍缩到一个大挤压。大挤压是非常奇特的,具有无限的密度,物理定律在这种状态下会失效。这说明,大挤压之后即使存在什么事件,它们要发生什么也是不能预测的。但如果事件之间不存在任何因果关系,就没有一个比较合理的解释能够说明一个事件发生在另一个事件之后。也许有人会说,我们的宇宙在大挤压处终结,而发生在终结之后事件是另一个相分离的宇宙的一部分。

如果宇宙的密度小于该临界值,就会一直膨胀下去,密度在一段时间之后就会变得非常低,引力吸引对于减缓膨胀没有任何显著的效应,星系仍会继续用恒常速度相互远离。

通过对各种假设的理论验证得知,未来宇宙的关键问题就是其平均密度与临界值之间的关系如何。大宇宙密度的计算并不是一件容易的事情。

如果我们将宇宙的质量计算成为看得见的恒星的质量总和,得到的数值在临界值的百分之一附近,即便是加上气体云的质量,最多也就是临界值的百分之一。那么,我们是不是就能据此得出宇宙将永远膨胀下去的结论呢?

答案是否定的。很明显,我们对宇宙的观测显示,宇宙中还有许多暗物质。那么我们将这些暗物质算进去,宇宙的质量仍只是能使宇宙重新坍缩的质量的百分之十。如果仅按照这些预言,宇宙是会无限膨胀下去的。

宇宙一直膨胀下去的50亿年之后,太阳内的核燃料就会燃烧完,它的外壳会膨胀,将地球等行星吞没,可能会演化成为一个白矮星。约100亿年之后,宇宙中大多数恒星都会燃料耗尽,逐渐走向灭亡,因为质量的不同,有的演化成白矮星,有的演化成中子星,有的演化成黑洞。

这真的是宇宙的未来吗?至今没有一个科学家能说这样的计算方式是精确的,也就是说宇宙的密度至今还是一个谜。既然这样,宇宙的未来当然也是一个谜,这个谜正等着科学家去揭示。

事件是另一个相分离的宇宙的一部分。

如果宇宙的密度小于该临界值,就会一直膨胀下去,密度在一段时间之后就会变得非常低,引力吸引对于减缓膨胀没有任何显著的效应,星系仍会继续用恒常速度相互远离。

通过对各种假设的理论验证得知,未来宇宙的关键问题就是其平均密度与临界值之间的关系如何。大宇宙密度的计算并不是一件容易的事情。

如果我们将宇宙的质量计算成为看得见的恒星的质量总和,得到的数值在临界值的百分之一附近,即便是加上气体云的质量,最多也就是临界值的百分之一。那么,我们是不是就能据此得出宇宙将永远膨胀下去的结论呢?

答案是否定的。很明显,我们对宇宙的观测显示,宇宙中还有许多暗物质。那么我们将这些暗物质算进去,宇宙的质量仍只是能使宇宙重新坍缩的质量的百分之十。如果仅按照这些预言,宇宙是会无限膨胀下去的。

宇宙一直膨胀下去的50亿年之后,太阳内的核燃料就会燃烧完,它的外壳会膨胀,将地球等行星吞没,可能会演化成为一个白矮星。约100亿年之后,宇宙中大多数恒星都会燃料耗尽,逐渐走向灭亡,因为质量的不同,有的演化成白矮星,有的演化成中子星,有的演化成黑洞。

这真的是宇宙的未来吗?至今没有一个科学家能说这样的计算方式是精确的,也就是说宇宙的密度至今还是一个谜。既然这样,宇宙的未来当然也是一个谜,这个谜正等着科学家去揭示。