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深度科普:宇宙的演化可分为五个纪元,最终会走向何方?

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关于我们所处的宇宙最终的结局,科学家们提出了很多理论设想,比如被不断增强的暗能量撕裂成亚原子尺度的碎片的大撕裂,或者宇宙的熵增达到最大,整个宇宙陷入热力学平衡状态的大冰冻,又或者是宇宙收缩回奇点的大反弹。

每一种理论都让人不禁遐想,但尚无定论。即便这些理论最终没有成为现实,我们的宇宙也将在漫长的岁月中,逐渐步入无尽的黑夜与死寂。

根据天体物理学家弗莱德·亚当斯与格里高利·拉夫林在《宇宙的五个年代》一书中所述,宇宙生命周期被划分为五个时代。我们不妨以此为索引,探讨宇宙的最终命运。

原初时代(Primordial Era)

原初时代自宇宙大爆炸起始,至4亿年后首颗恒星诞生,这一时代早已谢幕。

恒星时代(Stelliferous Era)

在这个时代,恒星们成为宇宙的主角,星空闪耀,群星璀璨。有幸生活在这一时期的我们,无疑是得到了自然的恩赐。

那么,这个璀璨的时代何时会落幕呢?换言之,宇宙中最后的一颗恒星何时会熄灭?质量小的恒星寿命较长,因为其核聚变反应中,将氢转化为氦的速度较慢。如红矮星,其寿命可达1万亿年。而早期宇宙中诞生的红矮星至今,仅消耗了1%的氢燃料,仿佛还是宇宙的婴儿。

现今,星系仍在搅拌星云,借由星云中的气体孕育新星。

然而,星云气体的储量终将耗尽。据预测,数十亿年后,新的恒星形成将趋于停滞,已存在的恒星也将逐渐耗尽燃料,相继熄灭。即便如此,星系碰撞等事件可能创造新星,延续恒星时代。然而,与红矮星的万亿年寿命相比,哪怕延长500亿年甚至1000亿年,也无太大差异。

当多数恒星黯淡,星系的色彩也将随之改变。如今,多数星系显现出明亮的蓝白色,体积巨大的恒星是其主要光源。而当这些恒星消逝,那些昏暗的低质量恒星将取而代之,星系的颜色随之转暗变红。

气体耗尽数十亿年后,星系中可能仅剩长命的红矮星闪烁。这种状态将持续1万亿年,或许更久。某些理论认为质量最小的红矮星寿命可达10万亿年。然而,在宇宙漫长的历史中,这些细微的差异不过是微不足道的波动。

简并时代

当最后一颗恒星熄灭,释放能量的就仅剩恒星残骸:白矮星、中子星和黑洞。另外,还有质量介于恒星与行星之间的棕矮星。除了黑洞,白矮星和中子星皆由简并压力支撑,数万亿年后,恒星时代将谢幕,简并时代开启。

此时的宇宙将陷入黑暗,至少对于人类视觉而言。如果我们能看见红外线,那么宇宙或许不会那么昏暗。这些天体的温度尚高,因此会有一定量的红外辐射。中子星和白矮星在诞生之初温度极高,随后逐渐冷却。冷却速度与它们的大小有关,但在几万亿年后,它们或许会降至室温。因此,在简并时代,随着时间流逝,宇宙会越来越冷。

然而,这个时代中,偶尔也会出现短暂的光亮。在孤寂宇宙中彼此环绕的白矮双星,经过数万亿年,会由于引力波能量辐射而逐渐靠近,最终合并,爆发为超新星。中子双星亦会如此,合并并爆发为伽马射线暴,短暂地照亮1000个星系。然而,这不过是一瞬间的光华,随后宇宙再度归于黑暗。

有趣的是,棕矮星能够成为更好的能量源。它们可能会合并成低质量的恒星,为黑暗的宇宙增添些许光亮,持续数百亿年。

然而,时间面前,没有任何事物能够永存。无论是宇宙、恒星,还是微观世界的质子,质子的半衰期可能为10^34年,甚至更长。当质子开始衰变,物质将消解,白矮星、中子星、棕矮星、行星,都会消散于宇宙间。但值得一提的是,这个过程中有一个耀眼的瞬间:白矮星在分解时会释放能量,功率可达400瓦,不亚于家用微波炉的功率。

此时,白矮星可能已完全冷却,成为黑矮星。

黑洞时代

数十亿年后,最后一颗简并天体也消失,宇宙中只剩下了黑洞。

宇宙步入了黑洞时代。

传统上,黑洞被视为无底洞,能吞噬一切。然而,通过量子力学,史蒂芬·霍金发现黑洞可以蒸发,从而损失质量。黑洞越大,损失质量的速度越慢。

例如,一个3倍太阳质量的黑洞(最小的通过超新星产生的黑洞),完全蒸发需要10^68年。这是一段荒谬的漫长时间,但对于宇宙而言,它有足够的时间等待。星系中心的超大质量黑洞,则需10^92年才能完全蒸发。这个数字甚至大于已知宇宙中的基本粒子总数(10^85)。

随着黑洞质量减小,蒸发速度加快,最终在一道闪光中消失,这是黑洞时代唯一的光芒。

黑暗时代

最终,一切都将消逝。宇宙只剩下能量极低的亚原子粒子和光子。这是在10^92至10^93年后,此时,我们有理由确信,宇宙已经终结。

宇宙步入了黑暗时代。如果时间仍有意义,那么这个时代将持续至永恒。

其他可能的结局

如果暗能量按当前推测那样持续增强,宇宙可能会走向另一结局:大撕裂。在这个结局中,没有任何力量能阻止宇宙膨胀,一切物质都将瓦解,甚至连原子都会被撕裂。大撕裂可能会在黑暗时代之前发生,但这个结局并不比黑暗时代更为光明。

最后,我们还有一线希望,或许能够迎来一个崭新的宇宙。量子物理的某些理论认为,我们所在的真空状态可能并非最低能级,就像你站在台阶上,还有下一级台阶。

在黑暗时代漫长的岁月之后,某一小片空间可能因为某种原因,跌落至下一个能级——真正的真空。这将引发周围的空间纷纷跌落。在这些跌落的空间中,物理定律被重写,时间和空间不复存在。这个区域迅速扩张,留下的空缺被一个全新的宇宙所填补。这也许正是我们的宇宙诞生的过程。

这个猜想为我们带来了一线希望,尽管希望渺茫,但总胜过在黑暗与寒冷中永恒沉睡。

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