宇宙中所有原子的总数约为10的80次方。虽然我们都知道指数爆炸的恐怖,但总是觉得10^80这个数目太小了点。不过,说“10^80”小了点也算是合乎“情理”。与很多常见数值相比,即使是宇宙中原子的总量也似乎微不足道。没有错,原子的总数量微不足道。我再重申一下原子数目有多么恐怖:水的分子式是H2O,假如人们想数一数一滴水里面水分子的数量,全地球上60亿人一起数,每人一分钟数100个,需要超过2000年才能数完。仅仅一滴水!那么我们仰望星空之时又多了一份恐惧,是什么,让全宇宙中所有原子数目总和这一数值为“微不足道”?
首先可以想到的是概率,上世纪科学家茶余饭后提出一个“无限猴子”假说,就是说猴子在键盘上各种字符中随意打字,绝大多数猴子打出的东西都是乱七八糟的字母与符号的混合物。但总有极少数的猴子随便乱敲也能在乱码中拼出一个,甚至两个单词。那么假如有无限只猴子敲无限次键盘,其中有一只猴子敲出一本《莎士比亚》的概率是多少呢?因为概率总是0~1之间的数值,可以用1×10^(-x)表示,这里的x值远远大于80。不用说《莎士比亚》这种名著,让猴子敲出薄薄一本英文说明书的概率中的x都大于80。
然后可以想到的是时间。当然以地球上的时间单位来计算一些事情有点天真,不过姑且因为数值可以庞大得有趣,所以用“年”为单位正合我意。关于宇宙的最终结局有很多假说,比如被不断增强的暗能量撕成亚原子碎片的大撕裂,熵增到最高陷入热寂的大冰冻,还有重新收缩到奇点的大反弹。哪一种假说会最后成为现实,现在还不得而知。然而,即使这些假说都没有最终实现,宇宙也将在漫长的岁月中,慢慢陷入无边的黑暗和死寂。
天体物理学家弗莱德·亚当斯和格里高利·拉夫林在《宇宙的五个年代》(The Five Ages of The Universe)中,把宇宙的生命分为五个纪元。我们可以沿用这五个纪元的划分,来看看宇宙的最终结局。
1、初始纪元。(0~4×10^8年)
原初纪元的范围是从宇宙大爆炸到4亿年后,第一颗恒星诞生。这个纪元现在已经过去了。
2、恒星纪元(4×10^8~10^13年)
恒星主宰宇宙,繁星布满夜空。生活在这个时代,无疑是我们的幸运。那么恒星纪元什么时候结束呢?或者说,最后一颗恒星什么时候会熄灭呢?质量越小的恒星,寿命越长,因为它们在核聚变中把氢转化为氦的速度越慢。最小的红矮星可以持续1万亿年。在宇宙幼年时形成的红矮星到现在只用了1%的氢。从人类的角度来看,它们还是婴儿。
现在,星系还在搅拌着星云,用星云气体创造新的恒星。但是,气体终有耗尽的一天。据估计,数十亿年后星云气体的供给将会后继乏力,新生的恒星越来越少,而已经诞生的恒星会用尽燃料,一个接着一个逐一熄灭。在这以后,诸如星系碰撞之类的事件会创造一些新恒星,延长恒星创生的年代。但是,和红矮星万亿年的寿命想比,延长500亿年甚至1000亿年都没有太大的区别。
当大量恒星熄灭的时候,星系将改变颜色。现在,多数星系都表现出耀眼的蓝白色,体积庞大的明亮恒星是星系内的主要光源。当这些恒星死去,质量较低的暗恒星成为主角,星系的颜色也会随之变暗变红。星云气体耗尽后几十亿年,星系中只有长命的红矮星还在发光。这种情况将持续1万亿年,也许更长。可能质量最低的红矮星能持续10万亿年,但是在这里10倍并不是一个太重要的数字。在宇宙悠长的生命历程中,它们只是一些统计上的小小起伏。
3、简并纪元(10^13~10^40年)
当最后一颗恒星熄灭,宇宙中释放能量的就只有恒星的遗骸:白矮星,中子星和黑洞。另外,还有一些棕矮星,它们的质量在恒星和行星之间。除了黑洞,白矮星和中子星都是由各种简并压力支撑,也就是说,在几万亿年以后,恒星纪元将会结束。简并纪元来临了。
宇宙将会变得十分黑暗,至少对人类的眼睛是如此,如果那时候还有人类的话。如果我们可以看到红外线,宇宙会明亮一些。这些天体还是比较温暖的,所以会有多多少少的红外辐射。中子星和白矮星诞生时非常热,然后慢慢冷却。冷却的速度和它们的大小有关,但是在几万亿年后,它们应该都会降到室温。所以,在简并纪元里,随着时间的流逝,宇宙慢慢变冷。
在时间面前,没有任何东西可以保持到永恒。不但对于宇宙和恒星是如此,对于微观世界中的质子也是如此。质子的半衰期是10^34年,也许更长。当质子开始衰变,物质将会分解,白矮星,中子星,棕矮星,行星,都会消融在空间中。不过,值得欣慰的是,这个过程有一个亮点。白矮星分解的时候会释放能量,功率可达400瓦(微波炉功率的一小半)。
4、黑洞纪元(10^40~10^92年)
在10^40年以后,最后一颗简并天体也消失了,宇宙中只剩下了黑洞这一种天体。
宇宙进入了黑洞纪元。
在我们的印象中,黑洞是吞噬一切的无底洞。然而,黑洞可以同过一种方式产生能量——蒸发。20世纪70年代,史蒂芬霍金用量子力学研究黑洞,发现黑洞确实会向外辐射能量,从而损失质量。越大的黑洞损失质量越慢。一个3倍太阳质量的黑洞(通过超新星诞生的最小黑洞),完全蒸发需要10^68年。这是一个长得近乎荒谬的时间,但是宇宙可以等待。而星系中心的黑洞要完全蒸发,需要10^92年。1后面92个0,就是下面这个数字:
100000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000年。
它已经大于已知宇宙中的基本粒子的个数。当黑洞质量变小,它的蒸发速度就会加快。最后,黑洞会在一道闪光之后消失的无影无踪。这是黑洞纪元唯一的光。
5、黑暗纪元(10^92~∞年)
最后,一切的消失了。宇宙中只剩小了能量极低的亚原子粒子和光子。这是10^92到10^93年以后。这时,我们可以有把握地说,宇宙已经死了。宇宙进入了黑暗纪元。如果时间还有意义的话,这个纪元将会延续到无穷。
当然,上述一切来自Crash Course频道的视频《deep time》,只是众多物理学家之一的假说而已。宇宙另一种普世的结局是:如果暗能量按照现在推测的那样持续增强,宇宙将走向另一个结局:大撕裂。在这个结局中,没有任何力量可以对抗空间膨胀,所有的物质都会瓦解,连原子都会被撕成碎片。大撕裂将会在黑暗纪元以前发生,但是这个结局并不比黑暗纪元更加光明。
最后,我们还有一个非常微小的希望可以得到一个光明的新宇宙。量子物理中有一个猜想,也许我们的真空并不是一个最低能量状态。就像你站在一个台阶上,而你下面还有一级台阶。当宇宙在黑暗纪元中沉睡无数年以后,也许一小片空间因为不管什么原因,跌落到下一个能级——真正的真空。它会带动周围的空间纷纷跌落。这时,奇怪的事情发生了,在这些跌落的空间中,物理定律将被重写,时间和空间将被抹去。这个区域迅速扩展,留下的地方是一个新的宇宙。也许这也是我们的宇宙的来源。
这个猜想给了我们一个新宇宙的希望。这个希望虽然渺茫,但是有一丝希望,也好过在黑暗和寒冷中沉睡到无穷。
在近乎无限的时间中,有限的故事自然开始了。