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宇宙是长生不老吗?

小胖纸 发布于 4个月前 分类:宇宙篇

宇宙的奥秘:宇宙是长生不老吗?

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    不同的宗教在宇宙死灭的时间和方式这个问题上看法不同,它们之间有着很大的分歧。有的宗教警示世人,宇宙的灭亡尽在眼前,启示录上所讲的惊天动地的大毁灭一定会发生,罪人将受到最严苛的审判。还有一些宗教则教导人们,天国即将来临,祥和安宁的天国终将取代我们现在所处的恶劣而无常的世界。而有些东方宗教则倾向于认为,世界是一个因果轮回的过程,我们都处于轮回之中,这个世界的灭亡预示着另一个世界的新生。
    对于宇宙死灭的时间和空间,宗教的分歧如此之大,那么现代科学又是如何看待字宙的终结呢?
    热力学第二定律在无情地削弱宇宙的组织,使宇宙进入混沌。物理学家向人类展示了一种极其令人沮丧的前景:字宙必然沿着不可逆转的方向消亡下去,走向一种热力学平衡状态,即达到最大的无序状态,然后令人感到有趣的事就再也不会发生了,这就是“热死”。
    几乎没有物理学家对热力学第二定律的有效性提出怀疑,因为对整个物理学来说,它是一个基本的定律。第二定律赋予了这个世界的时间不对称性,将过去和未来区别开来。违反热力学第二定律就等于将时间倒转。
    我们很好奇,把字宙驱向最大的无序的终结状态的灾难究竟具有什么性质,第二定律并没有对此进行讲述。在过去的30年里,现代天文学得到高速发展,从一些细节上详细说明那些最终将要毁灭字宙的复杂组织的事件已然具有可能性。而且,我们也有可能详细说明我们周围世界的活动了。

    就我们所处的宇宙区域而言,地球的命运是与太阳的命运息息相关的。地球上的生命依赖着阳光生存,任何对太阳现状的破坏都会造成灾难。太阳一旦发生变故,地球就会受到牵连,人类将无处可去。任何改变太阳恒定的热输出的因素一旦出现,就能打破地球脆弱的气候平衡,使我们进入灾难性的冰期。太阳系磁场与太阳风(即来自太阳表面的稳定的粒子流)相关,它的变化也可能带来同样的灾难性后果。如果地球附近的哪个恒星发生了爆炸,我们也会被迫陷入致命的辐射之中,众行星的运行轨道也会因为某个黑润穿过太阳系而发生变化。
    即使地球能逃脱所有这一切令人绝望的可能性,它也无法永远维持现状,真正的"水世长存”。太阳所辐射出来的大量的能量,需要靠核燃料进行补充,而太阳的燃料储备是有限的,终有一天会枯竭。天体物理学家估计,40亿-50亿年后,太阳会耗尽燃料。字宙现在的年龄是180亿年,而太阳的年龄已在45亿年,正处在鼎盛的中年。
    随着燃料的减少,太阳会膨大起来,变成天文学家所说的一种红巨星。太阳的内核一边在艰难地维持能量生产,一边在持续不断地收缩,这种趋势直至发生了量子效应才会使它稳定下来。在这个阶段,太阳可能会膨胀到足以吞没太阳附近的行星,地球的大气也被剥离,岩石熔化,甚至汽化。从此之后,太阳会进入一个虚无缥缈的状态,效率不高的氨燃料核反应将取代现在十分充沛的氢燃料的核反应,氮燃料烧完之后,更重的、再更重的元素将会继续燃烧。
    当所有的燃料消耗殆尽时,太阳就是由铁一类的较重的元素构成的了。那时,核聚变不会再释放能量。原子核的最稳定的形态就是铁。根据热力学第二定律,一切系统都寻求达到其最稳定的状态。在这一阶段,太阳的中心温度会稳步上升到接近10亿摄氏度。太阳内部外向的压力将减弱下去,引力在燃料耗尽之后将占据支配地位。太阳将开始在自己的重压下收缩,剧烈挤斥其内部的物质,其物质的密度将高达每立方厘米100万克。太阳在燃尽收缩后将会变得跟地球一样的大小,在亿年的岁月里慢慢地暗淡下去.
    最后冷却成为一个黑矮星。
    恒星先是不稳定,然后是燃料枯竭、恒星崩塌,这一套同样重复的模式是在我们的星系以及所有其他星系之中都存在的。所有的恒星会相继烧完自己的核燃料,最后因为无法支撑自身的重量,被引力摧垮。
    有些恒星(如超新呈)死得颇为壮观。。超新星内核先通过惊心动魄的塌缩,将自身炸成碎片,从而释放出巨大的能量。这些突如,其来的超新星爆炸之后,其中较轻的将变成
    -些漂浮的碎片,凝聚在一块高度压缩的物质周围。在这高度压缩的物质之中,质量相当于太阳的物质能被压成一个直径只有几英里的圆球。这样的物质重量是无法想象的巨大,地球上所有大陆的重量加在一起都不如调赏这样的物质重。甚至是原子都无法承受如此巨大的重力。于是,原子被迫向里崩溃,变成了一些纯粹的中子。天文学家们之所以熟悉中子星,是因为中星子在过去的超新星的爆炸碎片中时常被发现。
    在面对引力巨大无比的力量的情况下,较重的死星甚至不能够通过变成中子星的方式来稳定自身。它们会加速收缩,最后变成可怕的黑洞。
    宇宙学家爱德华·哈里森用形象生动的语言描述了字宙缓慢衰亡的过程:所有的恒星都将像即将燃尽的蜡烛一样逐渐斯淡下去,然后相继熄灭。在空间的深处,多少浩潮无比的天体城邦和星系,带着辉煌的历史记录缓缓地死去。在成百亿年的岁月里,字宙会越来越黑暗。
    物理系统在探索最高状态的过程中开辟了一些奇特的途径。我们星系的组织最终会随着我们所在的星系中恒星的燃尽而开始瓦解。太阳之类的恒星若要燃尽,得需要几十亿年的时间,而在这段时间里,星际气体中将会不断产生新的恒星。虽然太阳死亡所花的时间比较小的恒星走向死亡所花的时间可能要小几干倍,然而,锁闭在恒星之中的有序的能量最终还是以辐射的形式杂乱无章地散布到宇宙中去,我们所在的星系不可避免地将会暗淡、冷却下去,其他的星系也会遭到类似的命运。
    那些已经死亡的恒星仍会有大量的活动,但其活动的时间尺度大大增加了。燃尽的恒星仍留有残骸在星系中飘游,它们经常会发生碰撞。任何恒星以及其他物质都会被遇到的黑洞弄没。而且,假如像某些天文学家所认为的那样,我们的星系的中心有一个大黑洞,那么,这个黑润将会越变越大。这是因为引力辐射是空间的波纹,这些波纹会令一切大质量物体的轨道能量衰竭下去。而黑润会放射出来大量的引力辐射,它们会使恒星的轨道慢慢地颓坏。在极长的时间里,星系中心会聚集越来越多的恒星残骸,这些残艘最终将被那永不知饱的黑洞吞没。有些死星如果能够幸运地撞上了其他的恒星,那么它将逃离这种厄运。这是因为它们被这些恒星撞出星系,成为星系之间无边无涯的空间中的孤独的漫游者。
    然而,就算这些死星、某些气体和尘埃能够逃脱死于黑洞的厄运,也是徒劳无功的,因为这种逃脱只是暂时的。假如大统一论是正确的,那么,在宇宙中飘荡的这些核物质就是不稳定的,大约1032年之后,它们的核物质就会蒸发干净。中子和质子变成正电子、电子,正电子和电子又进而相互湮灭,并淫没任何其他再生的电子。一切固体物质就这样分解了。宇宙的实际膨胀速度决定了这种大屠杀的最终结果。假如真是像有人估计的那样膨胀得较快,那么,电子和正电子就会被快速膨胀的宇宙扯开,它们就无法相撞,因而也就不会发生完全的湮灭,一些粒子将会残存在宇宙中。那些湮灭的粒子则产生伽马辐射,伽马辐射本身也随着宇宙的膨胀而缓慢地减弱。除此之外,还有大爆炸残留下来的中微子和热辐射。虽然它们彼此间的降温速度有所不同,但是所有这些东西都会逐渐冷却下来,温度跌向绝对零度。辐射比物质(电子和正电子)冷却得慢。因此,尽管辐射和物质都走向绝对零度,它们的温差也逐渐减小,但是,它们之间总是存在一定的温差,而这温差原则上讲是能用作自由能量的来源的。我们相信,在一定限度之内,热死现象永远不会发生。这是因为尽管高度衰竭的宇宙的已接近其最大值,但却从未达到其最大值。
    电子和正电子的運灭会随着宇宙膨胀速度的放慢而更加容易发生。然而,电子和正电子相互毁灭并非是单纯的偶然碰撞的结果。它们能够形成一些被称作电子对的“原子”是由于电磁力使电子被吸引到正电子那里。计算显示,在1071年之后,由于宇宙的缓慢膨胀,大部分粒子都会成为电子对,但电子对这种原子实在是令人惊,竟有千万亿光年那么大!这些粒子环绕着彼此缓慢地旋转,它们运动1厘米要花100万年的时间。电子对是不稳定的,它们发射的很低能的光子会非常缓慢地损坏它们的巨大轨道。
    10116年之后,大部分电子对将会崩溃,所有的粒子将发生接触,巨大的湮灭将会立即发生。每个电子在电子对的轨道崩坏的过程中,都会对“原子”将放射出不少于1022个光子,使大大地增大。
    黑洞也并非一直静止不动。黑洞从严格意义上来说并不黑,反而借助热辐射一直散发出幽暗的光。一个质量跟太阳一样大的黑洞,温度才只有绝对温度的零上一百亿分之一度,简直低得可怜,而超级黑洞的温度更低。黑润会通过吸收热量来增大体积。只要字宙的背景温度高于它们的温度,它就会通过吸收热量而非常缓慢地持续增大。当黑洞与其他物体或其他黑洞相撞时,仍然会出现一些活动,黑洞的旋转会随着黑洞自旋的消耗逐渐慢下来。但是,当宇宙的背景温度最后降到黑洞的温度以下时,便会产生最为激烈的变化。
    如果黑洞的温度高于周围环境,就会损失热量,能量也会随之损失。能量的损失将会使黑洞收缩。而黑洞收缩又会使温度稍微增高,使能量辐射加速。于是,黑洞便开始走向无法遏制的蒸发过程。黑洞的收缩速度在极长的时间段内会一直向上攀升,最后,大约经过10108年之后,那些起初比很多星系加在一起还重的黑洞将会蒸发得一干二净,荡然无存。
    现在,黑洞的死亡并不被人们所知,但黑洞似乎有可能缩得极小,变得很热,于是开始创造物质。在这一阶段,黑润只能存活几十亿年。最后,黑洞很可能爆炸,变成一些伽马射线,消失得无影无踪。
    上述这些研究显示,我们现在所看到的这个充满生命力、浩瀚无际的宇宙将会变得荒寂黯淡、毫无生气。尽管宇宙灭亡所需时间长得让我们无法想象,但是,毫无疑问,我们目前所看到、感受到的一切都注定要消失,只留下那黑暗、寒冷、荒凉的空间,其中的物质密度越来越低,只有几个零星的中微子和光子,以及很少的其他东西。这个场面让很多科学家觉得十分沮丧。
    然而,字宙还有另一种下场。我们是在假设宇宙会一直膨胀下去的前提下才得出上述让人沮丧的结论的。这个假设并不确实。人们已知,由于引力持续地遏制星系分离,从而宇宙的膨胀速度一直在稳步地降低。有些天文学家认为,宇宙的膨胀有一天会停下来。至于实际情况是否如此,要由宇宙引力的大小来定,而物质的密度是决定字宙引力的大小的因素。想要估计总体的物质密度儿乎是不可能的,因为字宙物质包括看不见的物质
    (如中微子和黑洞)以及看不见的能量(如引力波)。
    假如字宙的膨胀真的停下来了,宇宙也不会保持静止。字宙会开始收缩,其收缩运动是其膨胀阶段的时间映像。宁宙的收缩速度在一开始的时候,是缓慢的,但几百亿年之后,收缩的速度就会加快。各星系现在是被此飞离,那时就会开始相互靠近,而且以越来越快的速度靠近,无法想象的大灾难就会发生在字宙的收缩阶段。
    当宁宙缩至现有大小的1%时,温度在收缩效应的刺激下会高到水的沸点,地球(假若太阳在做垂死挣扎时地球有幸不死)将会变得无法居佳。那时,星系会随着各空间幕在一起,彼此融合,观察者无法对它们进行区分。字宙若进一步收缩,温度还会进一步提高,那时,天空本身会变成炽热的火炉,恒星在这白热化的空间之中也会开始沸腾,然后爆炸。
    这时,一切事件的进程都会加快。所有的结构都会瓦解,它们的原子也分崩离析。在短短几千年的时间里,迅速增高的温度将原子核本身也击成碎片。这时,事件的时间尺度将小得匪夷所思。字宙先是在几分钟的时间里收缩一些,然后又在几秒钟,又在几微秒钟里收缩很多。宇宙的收缩被累加的引力变成了失控的向内爆炸。这就是所谓的“大崩塌”。
    这时的宇宙距离死亡就只有几微秒的时间。大崩塌就像倒转的大爆炸。核粒子分裂成夸克,所有的亚核粒子在短暂的时间里都被创造了出来,但是,整个字宙瞬间缩得比一个原子还小,于是,时空本身也分解了。
    假如字宙是上帝设计的,它就必定因为一定的目的而存在。假如这目的永远也无法实现,上帝就会设计失败。假如目的实现了,宇宙继续存在下去也是毫无意义的。无论如何,我们至少知道,字宙将有一个终结。

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