宇宙会以何种形式终结？在“永恒”中热寂？or在220亿年后撕裂？

向往草原403

科学声音 LOGO 墙

宇宙终结之热寂说




我们已经知道，那些所谓的世界末日往往都是一些经不起推敲的传说和故事，没有任何的科学依据。但是，如果把时间的尺度拉到足够长，那么地球也迟早是要毁灭的。别的原因不说，单说太阳就不能一直像现在这样燃烧下去。




科学家们已经发现，太阳在几十亿年以后就会变成一颗红巨星，很可能到那时候太阳的烈焰就会吞噬地球，地球上的所有水份都会被蒸发殆尽，当然也就不可能允许生命的存在。太阳最终也会因为燃料耗尽而慢慢熄灭，太阳系将回归黑暗。从这个意义上来说，世界末日迟早会到来。不过，那也只能称为地球或者太阳系的末日，并不是人类世界的末日，因为我们可以移民到宇宙中的其他恒星系。




不过，如果我们把时间的尺度继续拉长，宇宙的最终命运又会是怎样呢？宇宙是否有末日呢？关于这个问题，依然是一个世界未解之谜。




但是，科学家们可以根据已知的物理定律，做出一些基于科学的猜想。你知道科学猜想和胡思乱想有什么区别吗？科学猜想是基于现有的实验或者观测，利用合理的假设和已知的科学定律，一步一步推导出来的结论。胡思乱想就刚好相反，不需要任何理由，仅仅只是随便一拍脑袋就凭空冒出来的想法。但是，我并不是说胡思乱想就要不得，其实，人类离不开胡思乱想，我们每个人都有胡思乱想的自由，只要我们清楚科学猜想和胡思乱想的区别就好。




我这两节内容，就来跟你说说关于宇宙末日的几种科学猜想。

总得来说，有两种最主要的猜想，

一种叫做"热寂说"一种叫做"大撕裂说"

我们先从最多科学家支持的热寂说开始讲起。




在物理学中，有一个非常著名的热力学第二定律，这个定律是这样说的：任何孤立系统中的熵，只能增大不能减小。



那到底什么是熵呢？




这个问题是一个我最常被问到，但也最常会把人搞糊涂的问题。




熵，实际上表示的是一种自然界自发的发展方向，这个方向就是从有序向无序发展，用热力学的术语来说就是从低熵值向高熵值发展。

我们拿到一副新的扑克牌，牌的排列是从小到大按顺序的，我们洗牌的次数越多，这副牌就会变得越来越无序，在这个系统中，熵就是在慢慢地变大。 一个打碎的玻璃杯，不可能自发地还原。你在沙漠中堆起一座沙堡，风很快就会让沙堡消失，重新回归无序，再厉害的风也永远不可能把沙子吹成一座规则的沙堡形态。

听完我的这三个比喻，或许你感觉自己理解了什么是熵，但我想告诉你，用有序和无序来理解熵，依然还是一种比喻，这样的理解依然是模糊的，在遇到一些其他例子时，还是容易产生误解。




例如，我们现在假设有两个盒子，每个盒子中都有 4 块积木块，其中的一个盒子中的积木块大致均匀地分布在盒子中；而另一个盒子中的积木块则是一边多一边少。

现在我问你，这两个盒子的熵值，哪个更大呢？




这时候，你如果再用有序和无序去考虑问题的话，可能就会有点儿犯糊涂了，到底是盒子 1 更有序呢还是盒子 2 更有序？或许，大多数人会认为盒子 1 更加有序，因为看起来更加整齐。




但是，答案恰恰相反，从熵的角度看过去

盒子 1 的熵值更大，也就是更加无序。而盒子 2 的熵值更低，更加有序。

这是为什么呢？今天，我要教给你理解熵值更加准确的方法，就是考虑哪种状态的可能性更高。我们来分析一下，假如我们把这个盒子中的空间假想成一分为二，给积木编号为1、2、3、4。那么，盒子 1 我们可以认为是四块积木刚好一边各 2 块，而盒子 2 则是左边有 1 块积木，右边 3 块积木。

请你开动脑筋，想一下盒子 1 的这种分布方式的可能性总共有多少种，答案是 6 种可能性。相当于从 4 块积木中任意选出 2 块放到左边的空间。那盒子 2 的分布方式有多少种可能性呢？答案是 4 种可能性，相当于从 4 块积木中任意取出 1 块放到左边的空间。




好了，如果你理解了，那么请你记住，熵值不断增大的真正含义是自然界会自发地朝着分布可能性更高的方向发展。你可能到现在还没有想明白，那么我们来做一个思想实验。假设现在这是一个密封的长条状的盒子，盒子有一定的深度，这样积木块可以在里面自由地运动，不会堵塞。




好了，我们把盒子拿起来，使劲地摇一摇，然后把盒子放平稳，你觉得出现盒子 1 的情况可能性更大呢还是出现盒子 2 的情况可能性更大？这次应该不难理解了吧，显然，积木块大致平均分布在盒子中的可能性是更大的。




或许有些人还会想，为什么熵值会必然增加呢？在这个思想实验中，完全有可能也摇出盒子 2 的情况嘛。的确，在这个例子中，因为盒子 1 的可能性比盒子 2 的可能性大的不是很多，所以，只要我们摇的次数足够多，总还是会观察到盒子 2 的情况的。




但是，如果我们把积木块的数量增加到 1000 个，那么盒子 1 的可能性就要比盒子 2 ，也就是 999 个积木块都集中在右边的可能性大到一个不可思议的程度，大约是 10 的 300 次方倍。打个比方，假如你从宇宙诞生的那一刻开始，每一秒钟摇一次盒子，一直摇到今天，也远远摇不出一次盒子 2 的情况。



好了，有了熵增的基本概念后，我们就要回到主题了。




在宇宙学家的眼中，我们的宇宙就好像是这个盒子，而宇宙中的所有物质都是由原子组成的，这些原子就好像是盒子中的积木块。那么，宇宙中所有原子也一定会自发地朝着无序发展，整个宇宙的熵最大，也就是最无序的状态是什么呢？就是宇宙中的所有原子都均匀地分布在整个宇宙空间中，到了这时候，宇宙熵就达到了最大，我们的宇宙再也不可能产生什么变化了，宇宙的末日也就到了。




因为这个末日是由热力学第二定律推导出来的，所以，就被称为宇宙的热寂说。并不是宇宙最后会热死的意思，其实到了热寂那一天，宇宙的温度也降到了最低。




不过，科学家们对于热寂的整个过程到底会是怎样、会在多久之后发生，却没有一致的答案，甚至产生了比较大的分歧。关键的问题在于质子到底会不会衰变。这又是一个世界未解之谜。



那么，质子衰变是怎么回事呢？




在自然界中，有一种叫做天然放射性的现象，这种放射性是怎么产生的呢？原因就是一些原子量较大的原子突然变成了原子量较小的原子，例如常见的，用来制造原子弹的铀原子，就会突然变成铅原子，这被称作衰变，衰就是表示原子量或者能量衰减了。




不过，原子的衰变不是质子衰变。大家知道原子核是由质子和中子构成的，那么，有一些物理学家就开始思考一个问题：构成原子核的质子会不会衰变呢？

正方物理学家认为，质子会衰变，因为用质子衰变可以解释宇宙学中的一个难题，这个难题就是：为什么在我们的宇宙中物质比反物质要多得多。




但是，反方物理学家却不这么认为，他们认为质子不会衰变，理由更简单，因为我们从来没有在实验室中观察到过质子的衰变，要解释那个反物质的难题可以从其他角度去考虑，但是请不要随意假设没有试验证据的质子衰变。




正方说，实验观察不到是因为质子的平均衰变周期太长了，根据他们的计算，质子最少也需要 100 万亿亿亿年才有可能衰变。

这里我需要解释一下，这个时间表示的是一种衰变概率，它的意思也可以等价于，如果我们同时观察 100 万亿亿亿个质子，那么平均每年就会有一个质子发生衰变。

检验科学理论的正确与否，唯一的方式就是实验证据。为此，美国和日本都建造了巨大无比的实验项目，其中最出名的就是日本的超级神冈探测器，科学家们在一个盛满了 5 万吨纯水的大水池中除了探测中微子外，也在仔细地捕捉质子衰变的信号。

超级神冈探测器

那么，实验的结果到底是什么呢？质子是否衰变与宇宙终结之谜又是什么样的关系呢？我下节给你揭晓答案。



宇宙终结之大撕裂




质子是否会衰变这个问题事关宇宙热寂的方式。全世界有很多大型的实验装置都在试图寻找质子衰变的证据，然而，到目前为止，全世界没有任何一个实验室宣称找到了质子衰变的证据。不过，这还不能证明质子就一定不会衰变，很可能只是因为我们观察的时间还不够长，观察的对象还不够多，毕竟，质子衰变的概率实在太低太低了。




不过，不论质子是否衰变，宇宙从现在开始都要经历一个漫长的退化时代。在这个阶段中，虽然质子是稳定的，不会发生衰变。但是，宇宙中的恒星都会慢慢地燃烧殆尽，星系和恒星的形成逐渐减缓并完全停止 。越大越亮的恒星燃烧得越快，太阳在银河系中算是一颗中等大小的明亮恒星，大约再过 50 亿年就会全部烧完。而像比邻星这样的红矮星，体积小，温度低，比太阳可以燃烧的时间要长的多得多，但总有一天，也是要耗尽燃料，直至枯竭的。




这个过程是不可逆的，因为宇宙中的总熵必须一直增大。尽管宇宙中的总能量是守恒的，但是在热力学第二定律的支配下，能量会趋向于均匀分布在宇宙空间中。恒星燃烧其实就是把能量以辐射的形式散布在宇宙中。




有些人可能听说过生命的本质是负熵，这就好像人可以通过打扫屋子把屋子从无序转变成有序。那么，有没有可能在生命的参与下，减少宇宙的总熵呢？很遗憾，这是不行的。其实，生命不但不能减少一个孤立系统中的熵值，反而只会加速熵的增加。




就以打扫屋子为例，虽然屋子的熵值变低了，但是从地球这个大环境来看，你打扫屋子的行为必定要消耗能量，从总体来看，你只会消耗更多的电力和体能，而不论是烧煤发电还是消化食物产生体能，都是在破坏某种有序结构。所以，生命的出现，其实是让大自然更高效率地消耗能量，我们每一个人其实都是加速宇宙走向热寂的帮凶。



退化时代




随着时间的推进，质子是否会衰变就决定了宇宙走向热寂的不同方式。按照现在的某些理论假设，质子的半衰期大约是 10^36 年，也就是说，在 10^36 年之后，大约就会有一半的质子发生了衰变。等到了大约 10^40 年之后，宇宙中所有的质子都会衰变完毕。到这个时候，宇宙中就再也找不到会发光的物质了，只剩下了黑洞和质子衰变后产生的轻子。



黑洞时代




宇宙也从退化时代进入到了黑洞时代，这个时代更要远远长于充满恒星的宇宙时代，百花盛开的宇宙只不过占到了黑洞时代的约0.0000…（60个0）1，这是一个小到了简直无法打比方的数字。但黑洞也不是永恒的，它依然无法逃脱热力学第二定律为它设定的命运，黑洞会慢慢地蒸发，最终以史蒂芬霍金辐射的形式将自身的质量一点点地还给宇宙。




当所有的黑洞都蒸发完毕后，宇宙就进入到了真正的黑暗时代，虽然从宇宙大爆炸那一刻产生的光子也依然游荡在宇宙空间中，但是，宇宙是无比黑暗的，因为这一点点的光子与如此巨大无比的宇宙空间相比，依然是不值一提的。



宇宙热寂




但此时，宇宙离最终的完全热平衡还差很远很远。大约会在 10^1000 年以后，宇宙达到了完全的热平衡，也就是说，所有的光子和轻子在宇宙中均匀地分布，宇宙的熵达到了最大值。到了这个时候，我们才可以说，宇宙热寂了。那么宇宙热寂之后呢？之后是有之后还是从此再也没有之后了呢？目前的科学就只能到这里为止了。



如果质子不发生衰变




如果质子衰变的假设是错误的，质子不会发生衰变，它会一直稳定地存在下去。 那么，一个可能的结果就是宇宙中所有原子量小于铁的物质都会最终发生核聚变，变成铁原子。而所有原子量大于铁的原子都会最终衰变为铁原子。因为根据量子理论，铁的结合能是最小的，熵值是最大的。这个过程大约要经过 10^1500 年才能最终完成。这也是宇宙的热寂，因为最终的目标依然是熵值最大。此时的宇宙，铁原子均匀分布在宇宙的所有空间中。冰冷的热力学第二定律依然死死地统治了整个宇宙。




关于宇宙热寂的假说一度统治着宇宙学，不同的宇宙学家只是在热寂的年代和方式上会产生分歧。不管怎么说，宇宙热寂需要的时间实在太长太长了，我建议你不用试图去想象我前面说到的那些时间跨度有多大，因为我保证，不论你有多么巨大的想象能力，也不论你把那些时间想象的有多久远，实际上，真实的时间跨度依然要远远大于你的想象。



暗能量——大撕裂




但是，令人意想不到的是，当人类进入 21 世纪，在宇宙学上的一个意外发现，很可能让宇宙末日来临的时间大大地缩短了，这种缩短程度超乎想象，就好像把现在的整个可观宇宙一下子缩短到还没有一个原子那么大。这个意外发现到底是什么呢？




这就是我们之前已经详细讲过的的暗能量，暗能量的出现，很有可能改变宇宙的最终命运。

2003 年，距离暗能量的发现已经过去了四年，美国著名的达特茅斯学院的罗伯特 · 考德威尔仔细地计算着暗能量对宇宙的影响到底会是怎样。计算结果表明，如果暗能量产生的斥力与宇宙的平均能量密度的比值小于 -1 的话，那么很可能，暗能量的力量会无限增强下去，一直到把宇宙中所有的基本粒子都互相扯开为止。




考德威尔用了一个词来形容这种情况，英文是 Big Rip，也就是——大撕裂，非常的形象。更加令人意想不到的是，根据考德威尔的计算，这个结局会到来得非常快，他的计算结果是在 220 亿年之后，宇宙就会被彻底撕裂了。所谓的彻底撕裂，就是每个基本粒子之间互相远离的速度都超过了光速，任何基本粒子之间永远也不再可能发生相互作用。




这个理论刚出来的时候，并未引起太大的反响，偶尔也会有一些科学家参与讨论，但反对的声音比较多。不过，大撕裂假说在 2015 年迎来了一个重量级的支持。这一年 7 月，在著名的《物理评论 D》杂志上刊登了一篇论文，这是一本入选自然指数的期刊，在物理学界很有影响力。这篇论文的作者是美国范德比尔特大学的一组研究人员。他们建立了一个数学模型来计算宇宙加速膨胀的可能结果，该模型支持大撕裂假说。并且，这篇论文还回应了之前一些科学家对这个假说的质疑。




虽然大撕裂距今还有 220 亿年，并不会对我们的现在产生任何影响。但每每想到这种可怕的大撕裂的结局，我还是会不寒而栗，想想吧，每一个基本粒子互相远离的速度都大于光速，这个宇宙不可能再发生任何的变化，一切可能性都丧失了。但是，在人类没有彻底揭开暗物质和暗能量产生的根源之前，大撕裂仍然是一个建立在流沙上的城堡，可能说毁就毁了。



宇宙大塌缩假说




热寂假说和大撕裂假说是目前科学界有关宇宙末日最重要的两种假说，除此之外，还有一些其他假说。




例如宇宙大塌缩假说，这种假说认为宇宙在膨胀到某一个临界值之后，就会开始收缩，宇宙将会从膨胀模式进入到塌缩模式。这个假说曾经一度是主流的假说，但是随着暗能量的发现，这种假说也就失去了市场。但它并没有被彻底地否定，主要原因还是关于暗能量我们知道的太少了。



大反弹假说




此外，还有一种很有趣的假说叫做大反弹，也就是说，宇宙就像一个反复被吹大又放气的气球，会不断地从小到大又从大到小，循环往复。




总之，我们的宇宙到底会走向何方，会以什么样的方式迎来末日，这些问题依然是世界未解之谜。但我想告诉大家，或许你今天晚上睡觉的时候，也会想出几个宇宙终结方式的猜想，但是，在我看来，我们普通人的这些猜想都是胡思乱想，而不是科学猜想。如果你真的对宇宙末日的问题感兴趣，最好的方法是从现在开始就学好数学和物理，等你能把科学家们现有的假说中那些数学公式都看懂了，再去提出自己的假说不迟。

原文地址：今日头条

十年2017

是照着视频码的字吧