5 宇宙的命運(yùn)

宇宙中每一個(gè)已知的物體都是由質(zhì)子、中子和電子組成。我們看到的事物都是可見(jiàn)的是因?yàn)樗l(fā)出或反射電磁輻射的光子。是否存在著其他形式的我們無(wú)法探測(cè)到的物質(zhì)呢？

天文學(xué)家現(xiàn)在懷疑其他形式的物質(zhì)不僅存在，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常的重量，這就是所謂的重子的物質(zhì)。對(duì)星系團(tuán)的研究指出：這類星系團(tuán)中所有物質(zhì)的總量與明亮物質(zhì)總量的比例超過(guò)10∶1。這意味著宇宙的90%是以還未發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)形態(tài)存在的，這些不可見(jiàn)的物質(zhì)被稱為暗物質(zhì)。暗物質(zhì)有兩種可能的存在形式——熱和冷——的觀點(diǎn)已被接受。熱暗物質(zhì)可能是由中微子等極輕的以光速運(yùn)行的并且?guī)缀醪慌c重子物質(zhì)發(fā)生作用的粒子組成。冷暗物質(zhì)由有時(shí)被稱為弱作用重粒子（WIMPS）的假設(shè)粒子構(gòu)成。另一種理論認(rèn)為，暗物質(zhì)是普通的重子物質(zhì)，但存在于不發(fā)光的褐矮星和黑洞等天體中，它們可能存在于星系暈中并且組成了名為暈族大質(zhì)量致密天體（MACHOS）的實(shí)體。

開放、平坦還是閉合

宇宙中含有多少質(zhì)量的問(wèn)題與宇宙的最終命運(yùn)有著直接的關(guān)聯(lián)。宇宙正在膨脹的事實(shí)已經(jīng)被知道很久了：但它是否將會(huì)停止膨脹，如果不是的話，是否會(huì)一直加速下去？這些問(wèn)題的答案取決于宇宙中包含多大質(zhì)量和能量，也就是它總共有多大的引力。從最大的尺度上來(lái)說(shuō)，宇宙的曲率由它內(nèi)部物質(zhì)的平均密度決定——這也就是一定體積空間中的平均質(zhì)量。終止宇宙膨脹所需的平均密度（被稱為臨界密度）僅為每立方米幾個(gè)氫原子。宇宙平均密度與臨界密度的比值為Ω，Ω小于1的宇宙將永遠(yuǎn)存在并且膨脹下去，被稱為“開放宇宙”，它的時(shí)空連續(xù)體有著天文學(xué)家稱為的負(fù)曲率；膨脹能夠在引力的作用下終止的宇宙為“閉合宇宙”，它的時(shí)空連續(xù)體有著正曲率；第三種存在可能的被稱為“平坦宇宙”，這發(fā)生在物質(zhì)恰好足以終止膨脹，但只能在無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間以后達(dá)到這一狀態(tài)。目前的估計(jì)指出宇宙的平均密度遠(yuǎn)小于臨界密度，但也存在著大量的暗能量。這使得宇宙的膨脹加速，由此宇宙將永遠(yuǎn)存在。

預(yù)見(jiàn)未來(lái)

如果宇宙是“平坦的”、“開放的”或者是正在加速的，它將存在無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間，但這并不意味著行星、恒星和星系也將永遠(yuǎn)存在。宇宙受到物理定律支配，這些定律之一——熱力學(xué)第二定律指出：熱從高溫物體向低溫物體流動(dòng)。因此當(dāng)兩個(gè)物體具有相同溫度時(shí)，熱的流動(dòng)停止；熱也不可能從低溫物體流向高溫物體。宇宙中發(fā)生的每個(gè)化學(xué)過(guò)程都遵從這個(gè)指導(dǎo)性原則。因此，恒星和星系緩慢地將熱流失到周圍的宇宙中，然后死亡。

在這發(fā)生之前，星系中越來(lái)越多的恒星將會(huì)互相靠近，這將會(huì)導(dǎo)致其他恒星投向星系的中心區(qū)域時(shí)一顆恒星被拋出星系。星系中心的物質(zhì)將變得越來(lái)越緊密，并且最終具有星系質(zhì)量的黑洞將形成。相同的過(guò)程將在星系團(tuán)中重復(fù)，因?yàn)橐恍┬窍祵⒈粧伋觯硪恍┬窍祵⒙湎蛑行膮^(qū)域。于是宇宙中將充滿具有與星系團(tuán)相同質(zhì)量的黑洞。

這些黑洞中所含的物質(zhì)將被再處理，并通過(guò)霍金輻射過(guò)程返回宇宙，這是一對(duì)虛粒子恰好在黑洞的視界上產(chǎn)生的過(guò)程：其中一個(gè)粒子逃逸出去，而另一個(gè)落下，抵消黑洞的一部分質(zhì)量，這看起來(lái)像是逃逸的粒子來(lái)自黑洞本身，而黑洞逐漸“蒸發(fā)”到宇宙中。黑洞越小，它蒸發(fā)得也就越快，這一蒸發(fā)可以作為熱量被測(cè)量到。隨著粒子的逃逸和黑洞質(zhì)量的減小，它的溫度上升，上升的溫度使得更多的粒子逃逸出來(lái)，進(jìn)一步地減少了質(zhì)量并且提高了溫度。最終，在最后幾秒，黑洞在能量等同于百萬(wàn)噸級(jí)氫彈爆炸的劇烈爆發(fā)中釋放出剩余的所有質(zhì)量。通過(guò)這一過(guò)程——恒星融入黑洞中然后再蒸發(fā)，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，宇宙中的所有物質(zhì)將達(dá)到熱平衡。當(dāng)這一狀況發(fā)生時(shí)，將不再有恒星、行星或星系，只有著由亞原子粒子構(gòu)成的稀薄“海洋”。所有的粒子將會(huì)有相同的溫度，并且不會(huì)發(fā)生任何反應(yīng)。如果化學(xué)反應(yīng)不再在宇宙中發(fā)生，也就不再有判斷時(shí)間流逝的參照，宇宙將死亡，這一概念稱為熱寂。

如果宇宙是“閉合的”，那么膨脹將最終減慢并停止，然后它將開始崩塌。星系團(tuán)和單獨(dú)的星系將合并到一起，宇宙微波背景輻射將增加它的溫度，最終空間將變得異常灼熱從而恒星蒸發(fā)。宇宙將回到與大爆炸期間十分相似的狀態(tài)。但宇宙不再膨脹，而是開始收縮并向大坍縮的方向轉(zhuǎn)變。

一些人提出大坍縮與大爆炸前的狀態(tài)非常符合，從而宇宙將再生：但新生的宇宙可能與我們所在的很不相同，因?yàn)槲锢矶煽赡茉谟钪媾蛎浀淖畛鯐r(shí)刻整個(gè)被混在一起。

生命、精神和宇宙

盡管天文學(xué)家在了解發(fā)生在宇宙中的某些過(guò)程上有著一定的成就，但他們了解得越多，就表明有越多的問(wèn)題出現(xiàn)。這些問(wèn)題是關(guān)于自然界本質(zhì)的，科學(xué)并不能獨(dú)立地給出答案。人類是不是宇宙中唯一的智慧生命？宇宙和人類是偶然形成的還是作為某些寵大設(shè)計(jì)的一部分？

現(xiàn)代天文學(xué)家常常被問(wèn)到的一個(gè)問(wèn)題是：宇宙有很多可能的存在方式，但為什么宇宙是現(xiàn)在這樣的？在大爆炸的最初一點(diǎn)時(shí)間內(nèi)，物理定律和宇宙常量處于變遷中，它們也只是在以后才固定為現(xiàn)在人們所熟悉的形態(tài)和數(shù)值。這些物理定律（如光速等常數(shù)）描述了宇宙是如何運(yùn)行的。如果宇宙有著不同的電子電荷常數(shù)，恒星可能變得不能燃燒氫；如果在大爆炸的第1秒中，物質(zhì)超出反物質(zhì)的比例不同，可能就不再有物質(zhì)，或者不再有這么多的物質(zhì)將在很久以前就發(fā)生崩塌。

即使這種常數(shù)上的差異也可能讓宇宙出現(xiàn)，甚至允許各種生命的演化，生命存在的形式可能會(huì)有極大的不同。如果在量子尺度上支配相互作用的普朗克常數(shù)比目前的值大得多的話，甚至與人一樣大的物體都能夠表現(xiàn)出波粒二象性，并且能夠像電子衍射穿過(guò)狹縫一樣“衍射”穿過(guò)門縫。

哲學(xué)家可能會(huì)問(wèn)：為什么宇宙如此適應(yīng)我們這樣形態(tài)的生命產(chǎn)生，這僅僅是偶然，還是宇宙為人類能夠在其內(nèi)部發(fā)展鋪平了道路？這些問(wèn)題在名為人擇宇宙原理的具有高度爭(zhēng)議的理論中被提到。它提出宇宙之所以存在是因?yàn)槿绻钪娌淮嬖冢覀兙筒荒軌蛟谶@里觀察它。它的一個(gè)變體理論將它更推進(jìn)了一步：宇宙的存在是為了給人類提供生存的場(chǎng)所。很多支持這一理論的人提出人類在某種程度上是特殊的，并且指向生命在它們所存在的地球上尋找相應(yīng)小生境的堅(jiān)韌方式。這表明只要有最微小的可能，生命就會(huì)出現(xiàn)，這一觀念適用于整體的宇宙。有的人則認(rèn)為宇宙可能并不是獨(dú)一無(wú)二的，在大爆炸之前可能存在著更早的宇宙，甚至我們所知的物理定律也是之前的多次循環(huán)的演化過(guò)程的一個(gè)結(jié)果。

隨著時(shí)間的流逝，宇宙演化出越來(lái)越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。在最簡(jiǎn)單的一層是基本粒子或夸克——在大爆炸后最早產(chǎn)生的事物。最為復(fù)雜的就是智慧生命，以及它們的概念性架構(gòu)（可能包括了科學(xué)本身，以及藝術(shù)和文明）。這些復(fù)雜的事物離不開中間層面結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，從簡(jiǎn)單的原子、星系和恒星、較重元素、分子、蛋白質(zhì)、簡(jiǎn)單生命形式到更加系統(tǒng)的生命形式。一些人認(rèn)為智慧生命的產(chǎn)生因此也與原子和分子的產(chǎn)生一樣自然。這因此可能就是智慧生命有目的地改造宇宙的形態(tài)以作為永久的居所。通過(guò)這種方式，智慧生命能夠給自己全部的時(shí)間用以探索和理解。即便我們的文明衰落，未來(lái)的文明將會(huì)找到足夠的時(shí)間探索和理解這種終極目標(biāo)——如果它在確實(shí)存在。