5 宇宙的命運

宇宙中每一個已知的物體都是由質子、中子和電子組成。我們看到的事物都是可見的是因為它發(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法探測到的物質呢？

天文學家現在懷疑其他形式的物質不僅存在，而且遠遠超過正常的重量，這就是所謂的重子的物質。對星系團的研究指出：這類星系團中所有物質的總量與明亮物質總量的比例超過10∶1。這意味著宇宙的90%是以還未發(fā)現的物質形態(tài)存在的，這些不可見的物質被稱為暗物質。暗物質有兩種可能的存在形式——熱和冷——的觀點已被接受。熱暗物質可能是由中微子等極輕的以光速運行的并且?guī)缀醪慌c重子物質發(fā)生作用的粒子組成。冷暗物質由有時被稱為弱作用重粒子（WIMPS）的假設粒子構成。另一種理論認為，暗物質是普通的重子物質，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量致密天體（MACHOS）的實體。

開放、平坦還是閉合

宇宙中含有多少質量的問題與宇宙的最終命運有著直接的關聯(lián)。宇宙正在膨脹的事實已經被知道很久了：但它是否將會停止膨脹，如果不是的話，是否會一直加速下去？這些問題的答案取決于宇宙中包含多大質量和能量，也就是它總共有多大的引力。從最大的尺度上來說，宇宙的曲率由它內部物質的平均密度決定——這也就是一定體積空間中的平均質量。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的宇宙將永遠存在并且膨脹下去，被稱為“開放宇宙”，它的時空連續(xù)體有著天文學家稱為的負曲率；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)生在物質恰好足以終止膨脹，但只能在無限長的時間以后達到這一狀態(tài)。目前的估計指出宇宙的平均密度遠小于臨界密度，但也存在著大量的暗能量。這使得宇宙的膨脹加速，由此宇宙將永遠存在。

預見未來

如果宇宙是“平坦的”、“開放的”或者是正在加速的，它將存在無限長的時間，但這并不意味著行星、恒星和星系也將永遠存在。宇宙受到物理定律支配，這些定律之一——熱力學第二定律指出：熱從高溫物體向低溫物體流動。因此當兩個物體具有相同溫度時，熱的流動停止；熱也不可能從低溫物體流向高溫物體。宇宙中發(fā)生的每個化學過程都遵從這個指導性原則。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，星系中越來越多的恒星將會互相靠近，這將會導致其他恒星投向星系的中心區(qū)域時一顆恒星被拋出星系。星系中心的物質將變得越來越緊密，并且最終具有星系質量的黑洞將形成。相同的過程將在星系團中重復，因為一些星系將被拋出，而另一些星系將落向中心區(qū)域。于是宇宙中將充滿具有與星系團相同質量的黑洞。

這些黑洞中所含的物質將被再處理，并通過霍金輻射過程返回宇宙，這是一對虛粒子恰好在黑洞的視界上產生的過程：其中一個粒子逃逸出去，而另一個落下，抵消黑洞的一部分質量，這看起來像是逃逸的粒子來自黑洞本身，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)可以作為熱量被測量到。隨著粒子的逃逸和黑洞質量的減小，它的溫度上升，上升的溫度使得更多的粒子逃逸出來，進一步地減少了質量并且提高了溫度。最終，在最后幾秒，黑洞在能量等同于百萬噸級氫彈爆炸的劇烈爆發(fā)中釋放出剩余的所有質量。通過這一過程——恒星融入黑洞中然后再蒸發(fā)，在足夠長的時間后，宇宙中的所有物質將達到熱平衡。當這一狀況發(fā)生時，將不再有恒星、行星或星系，只有著由亞原子粒子構成的稀薄“海洋”。所有的粒子將會有相同的溫度，并且不會發(fā)生任何反應。如果化學反應不再在宇宙中發(fā)生，也就不再有判斷時間流逝的參照，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。星系團和單獨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，因為物理定律可能在宇宙膨脹的最初時刻整個被混在一起。

生命、精神和宇宙

盡管天文學家在了解發(fā)生在宇宙中的某些過程上有著一定的成就，但他們了解得越多，就表明有越多的問題出現。這些問題是關于自然界本質的，科學并不能獨立地給出答案。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計的一部分？

現代天文學家常常被問到的一個問題是：宇宙有很多可能的存在方式，但為什么宇宙是現在這樣的？在大爆炸的最初一點時間內，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在人們所熟悉的形態(tài)和數值。這些物理定律（如光速等常數）描述了宇宙是如何運行的。如果宇宙有著不同的電子電荷常數，恒星可能變得不能燃燒氫；如果在大爆炸的第1秒中，物質超出反物質的比例不同，可能就不再有物質，或者不再有這么多的物質將在很久以前就發(fā)生崩塌。

即使這種常數上的差異也可能讓宇宙出現，甚至允許各種生命的演化，生命存在的形式可能會有極大的不同。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出波粒二象性，并且能夠像電子衍射穿過狹縫一樣“衍射”穿過門縫。

哲學家可能會問：為什么宇宙如此適應我們這樣形態(tài)的生命產生，這僅僅是偶然，還是宇宙為人類能夠在其內部發(fā)展鋪平了道路？這些問題在名為人擇宇宙原理的具有高度爭議的理論中被提到。它提出宇宙之所以存在是因為如果宇宙不存在，我們就不能夠在這里觀察它。它的一個變體理論將它更推進了一步：宇宙的存在是為了給人類提供生存的場所。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小生境的堅韌方式。這表明只要有最微小的可能，生命就會出現，這一觀念適用于整體的宇宙。有的人則認為宇宙可能并不是獨一無二的，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)的演化過程的一個結果。

隨著時間的流逝，宇宙演化出越來越復雜的結構。在最簡單的一層是基本粒子或夸克——在大爆炸后最早產生的事物。最為復雜的就是智慧生命，以及它們的概念性架構（可能包括了科學本身，以及藝術和文明）。這些復雜的事物離不開中間層面結構的出現，從簡單的原子、星系和恒星、較重元素、分子、蛋白質、簡單生命形式到更加系統(tǒng)的生命形式。一些人認為智慧生命的產生因此也與原子和分子的產生一樣自然。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。通過這種方式，智慧生命能夠給自己全部的時間用以探索和理解。即便我們的文明衰落，未來的文明將會找到足夠的時間探索和理解這種終極目標——如果它在確實存在。