宇宙的終極命運

從今天算起大約50億年後，太陽將演化成為一顆脹大的紅巨星，赫然懸掛在烤焦的地球上空。太陽臨近死亡只不過是宇宙走向命定結局過程中一個較早的大事件。（圖片來源：RON MILLER）

人們常問的兩個最具挑戰性、也最有爭議的問題是：「我們從哪來？」、「又往哪去？」我們控制不住地想把這些疑問窮究到底——冥思苦想宇宙的起源和結局其實就是這些問題被分別推廣到可以想像的最小與最大尺度上的表現。過去數十年的觀測使天文學家對宇宙大爆炸及其直接後果有所了解。然而，宇宙的命運仍是一個棘手的問題。它最終是在「大擠壓」中坍縮，還是在「大撕裂」中四分五裂（時空本身在此過程中也被完全毀壞），亦或是永遠膨脹下去、直至所有恆星和其它能量源逐漸消逝？

讓我們開門見山地說吧。根據目前所掌握的知識，科學家還無法確定哪一種才是宇宙的結局。這是因為他們對宇宙的兩大重要組成部分還一無所知：使時空加速膨脹的外向壓力——暗能量和構成宇宙結構的未知物——暗物質。實際上，無論過去還是現在，沒有一個宇宙學觀測揭示出宇宙的終極命運。要想回答這一問題，科學家需要將阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論（在物理學最大的尺度上指揮著宇宙的行為）和量子力學（控制著極小尺度上的物理過程）統一到一個理論框架中，並與觀測相結合。

雖然從科學的角度看，我們對宇宙的未來還缺乏清晰的圖景，但在宇宙走向命定結局的過程中，不少有趣的現象將會上演，特別是在接近我們世界的末日的時候。例如，天文學家確信銀河系有朝一日將與鄰近的星系相撞，地球的大限也屈指可數。常言道，享受過程和達到目的一樣重要。

從今天算起大約39億年後，銀河系（右）和仙女座星系（左）將會相撞。現在，巨大的潮汐力已經使兩個星系的外側旋臂翹曲。（圖片來源：NASA/ESA/Z. LEVAY AND R. VAN DER MAREL(STScl)/T. HALLAS/A. MELLINGER）

過去是未來的序幕

根據迄今為止最好的觀測——由歐洲空間局的普朗克衛星和美國宇航局的威爾金森微波各向異性探測器給出的精確度好於1%的觀測結果，我們的宇宙在過去138億年里一直在膨脹。這一結論是仔細研究宇宙微波背景輻射（簡稱CMB）後得出的。CMB是天文學家能觀測到的最古老的輻射。它產生時，宇宙年齡大約是38萬年。

此前，宇宙中的絕大部分光子因為與粒子——尤其是電子——頻繁碰撞而不得自由。就像參加德貝撞車賽的汽車一樣，光子走不了不遠便會與粒子相撞。當宇宙演化到38萬年，它已經冷卻到足夠低的溫度，質子可以捕獲電子，進而形成第一批中性氫原子。這一過程大大減少了與光子碰撞的自由電子數目。

宇宙學家說，結果是光子終於擺脫了物質，開始在宇宙中自由穿梭。這就是科學家看到的CMB。再後來，CMB光子隨時空的膨脹而伸展、冷卻，如今它的溫度已經下降到微波波段了。

CMB在全天各處的溫度幾乎完全相同。這給理論學家出了個難題。因為位於宇宙兩端的區域相隔如此遙遠，它們發出的CMB光子完全無法聯絡彼此。

為了解決這一問題，還有其它問題，物理學家認為宇宙誕生後曾在極短的時間裡急速膨脹（暴脹）。在快速膨脹前，宇宙的個頭不是很大，兩端的區域可以有因果聯繫——距離近到可以發生相互作用——它們的物理性質因此也就能夠保持一致。當可觀測宇宙演化至10的-36次方秒，它的個頭突然從比質子還小數十億倍快速膨脹到拳頭那麼大，近乎平均的物理性質也就隨之被鎖定下來。

暴脹過後很久、發生退藕之前，普通物質與暗物質、暗能量一起主宰著宇宙。雖然物理學家還不知道暗物質為何物，但他們最好的猜測是暗物質是一種大質量粒子。除了引力，它和其它物質沒有任何相互作用。科學家認為暗物質奠定了我們今日所見的宇宙結構的最初基礎。它放大了在暴脹中倖存下來的密度微小漲落，使緻密區域更加緻密、稀疏區域更加稀薄。

退藕之後，宇宙一片黑暗。隨著時空膨脹，宇宙平穩地冷卻降溫。多虧宇宙里所有物質貢獻的引力，時空膨脹持續減緩。暗物質把普通物質聚集起來形成恆星，為宇宙帶來光明。第一代恆星發出的紫外輻射電離了瀰漫在宇宙各處的中性氫氣體，同時也開啟了反饋機制，把簡單的宇宙塑造成如今這般高度結構化的宇宙。

接下去，大約50億年前，宇宙的行為開始變得古怪。出乎意料地是，宇宙開始加速膨脹，而且自那時起它就一直加速膨脹著。

黑暗一面的故事

天文學家是在利用某類超新星研究遙遠宇宙時發現宇宙正在膨脹的。Ia型超新星是徹底毀滅的白矮星。由於此類超新星爆發時釋放出的能量相同，天文學家可以藉此推算出它的光度。這就好像你預先知道燈泡的功率一樣。美國新澤西州普林斯頓大學的天體物理學家David Spergel解釋說：「如果你知道一個燈泡有多亮，通過觀測到的流量值，你就能計算出它離你有多遠。」遠處的Ia型超新星看起來比近處的同類超新星黯淡，所以前者離我們更加遙遠。

科學家把導致宇宙平穩膨脹的罪魁禍首——一種外向壓力——稱為暗能量。在宇宙膨脹的同時，引力（可被視為一種內向壓力）可以讓膨脹減速。但是物質因為宇宙膨脹而逐漸四散分離，引力的減速作用也漸漸勢微。而暗能量的外向「壓力」似乎不受膨脹影響，仍然保持恆定。因此，暗能量的重要性逐漸超過物質，致使宇宙加速膨脹。今天，暗能量佔了宇宙全部物質的68%，而且所有跡象表明它的作用將會繼續增大。

宇宙學家構造了一個狀態方程來描述暗能量壓強與其能量密度的關係。方程特徵參數w的取值可能有3種。「如果w等於-1，宇宙將一直膨脹下去，」Spergel說。「如果w大於-1，隨著宇宙膨脹，暗能量將隨時間減少，其作用也會減弱。」加速膨脹將會減慢並最終停止下來。宇宙的膨脹也會逐漸減慢，直到物質重新奪過控制權。

不過，w的取值還有第3種特別不招人喜歡的選項。如果w小於-1，即暗能量的壓強隨時間增加，那麼宇宙將會膨脹得越來越快，直到時空本身也在「大撕裂」中被扯成碎片。舉個例子，如果w值接近-1.5，宇宙將在從今天算起220億年後滅亡。在那個最終時刻到來之前10億年，星系團將消亡。在那之前6千萬年，銀河系將被撕扯得四分五裂。太陽系將會倖存到最後3個月，行星則能夠堅持到大約最後半小時。

「目前，我們知道w的值接近-1，「Spergel補充說道，「但我們對這個值還非常不確定，以至我們仍然不知道宇宙的最終命運到底是上面三種中的哪一種。」

因為科學家實際上並不知道暗能量到底是什麼，它完全有可能是一種自我限制的現象。同暴脹類似，w的值可能保持了一會兒，後來就發生變化、甚至完全消失。又或者它的值在未來可能增加，使膨脹的宇宙轉而開始收縮，直到終結在激烈的「大擠壓」中。「未來某個時刻，暗能量的行為可能和現在不同，從而改寫了宇宙的最終歷史。這是完全有可能發生的事。不過，我們可能永遠無法真正知道未來到底會如何，」美國伊利諾斯州Batavia市費米實驗室的天體物理學家Dan Hooper如此說道。

根據現有知識，上圖標出了宇宙從熾熱的年少時期走向冷寂的生命終點過程中的幾個關鍵時刻。 雖然暗能量直至最近才開始發揮主導作用，但它卻決定著宇宙的未來。最重要的問題是暗能量如何行為，以及它會帶來什麼影響。（圖片來 源：ASTRONOMY: ROEN KELLY, AFTER FRANCIS REDDY）

或許，暗能量不過是一個錯覺，是廣義相對論在極大尺度上不再成立所引發的幻象。無論怎樣，我們在未來10年或20年對暗能量的認識將震動整個物理學，也將徹底改變我們的時空觀。

轉回頭來看未來

雖然仍不十分確定，但天文學家已對未來幾十億年里將要發生的事有了一些把握。在那之後，「新物理學」——當今科學家猜測的由粒子和物理過程參與的某些相互作用——也許將主宰宇宙。

紅矮星的一生：質量最小的恆星——暗弱的紅矮星——活得最久，因為它們以慳吝的速度燃燒著自身的能源。它們之中最小的，質量僅有太陽質量的8%，卻能存活11萬億年。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）

首先，地球將被炙烤。現在，太陽的平均光度每過1億1千萬年便會升高1%。10億年後，不斷增長的能量將使太陽系的宜居區——允許液體水穩定存在於行星表面的區域——向太陽系外圍移動。屆時，身處宜居區熾熱內邊界的地球將經受高溫的折磨。

經過50億年，太陽將演化進入紅巨星階段。到那時，火星將處於宜居區的中心位置。精明的地產投資商們也許會跑到太陽系內的一眾冰封衛星上面大量收購海景房以獲利。接下去的數十億年里，太陽將化身為一顆成熟的紅巨星。它的體形將膨脹到目前個頭的200倍大。冥王星及其同伴柯依伯帶將晉身為宜居區內邊界的主人。地球則將步水星和金星的後塵，被太陽的外大氣吞沒，並旋轉落入太陽內部。早在幾百萬年前，水星和金星便已如此做了太陽的獻祭品。

御夫座內的行星狀星雲IC 2149看上去並沒什麼出眾之處，因為它不過是一顆小質量恆星的演化產物。天文學家懷疑太陽有朝一日也會面對同樣貧乏的命運。（圖片來源：PATRICK A. YOUNG, DONALD W. McCARTHY, CRAIG KULESA, KAREN A. KNIERMAN, JACQUELINE MONKEWICZ(STEWARD OBSERVATORY)/GUIDO BRUSA, DOUGLAS MILLER, MATTHEW KENWORTHY(CENTER FOR ASTRONOMICAL ADAPTIVE OPTICS)）

正當火星享受著宜居區的溫暖陽光，而地球在炙烤下快熔成渣滓的時候，在更大尺度上，我們本星系群的「三巨頭」——銀河系、仙女座星系（M31）和風車星系（M33）——將會相撞、合併。根據最近的數值模擬結果，從今天算起39億年後，M31將首次逼近銀河系。屆時，這兩個大質量星系將彼此擦身而過。強大的潮汐力將同時改變雙方的形貌，把規則的盤面和優美的旋臂拉散成一堆恆星、氣體混雜物。經過大約59億年，銀河系和M31終會合二為一。天文學家把這個合併產物稱為銀河仙女星系。M33也將圍繞這個合併星系旋轉，直到最終併入其中。被引力束縛在本星系群里的諸位成員星系遲早都將合併在一起。只不過整個合併過程相當漫長，可能長達數百億年。

當仙女座星系與銀河系首次擦身而過，它們會被彼此拉扯得幾乎面目全非。在那之後20億年，它們將再度相遇。（圖片來源：NASA/ESA/Z. LEVAY AND R. VAN DER MAREL (STScl)/T. HALLAS/A. MELLINGER）

從今天算起59億年後，銀河系和仙女座星系將會合併，生成一個形如NGC 2937（圖下方）的巨大橢圓星系。接下去，幾十億年後，這個合併產物將把旋渦星系M33也拉進來，形成類似上圖所示的Arp 142碰撞星系對。（圖片來源：NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScl/AURA)）

與此同時，其它星系都在彼此遠離，逐漸消失不見。與黑洞類似，加速膨脹的宇宙也有「視 界「。一旦時空膨脹的速度超過光速——這並不違反物理定律——我們將與其它星系失去因果聯繫。即便我們向後者派出像光一樣快的飛船或者發出射電信號，也永 遠追趕不上它們離去的腳步。現在，我們難以接近所有紅移大於1.8的星系——它們發出的光要經過近100億年才能到達地球。我們目前看到的只不過是定格的 畫面。這些畫面不可阻擋地向長波移動，而且終將消逝。

對於那些存在歷史超過某一有限時間長度的星系，天文學家永遠無法研究它們的演化史。星系離我們越遠，我們只能看到它越年輕時的模樣，而對它後來的演化了解得越少。如果暗能量恆定不變，與我們相距5千萬光年之遙的、龐大的室女星系團將在一千億年里逐漸淡出我們的視線。

根據我們目前了解的情況推斷，在遙遠的未來，宇宙將成為一片寒冷、孤寂之地。所有故事都有開頭、中間發展和結尾。從現階段來看，宇宙完全可能有一個出人意料的結局。