第18章 世界末日
有人说世界在烈火中终结,
有人说世界在寒冰中终结。
——罗伯特·佛罗斯特
如果没有关于世界如何终结的描述,那我关于宇宙状态的解释就是不完整的。暴胀理论告诉我们,整个宇宙将永远存在,但是我们本区域,即可观测宇宙,很可能会终结。20世纪的很长一段时间内,这个问题一直是宇宙学研究的中心,在这一过程中,我们关于世界末日的构想经历了数次变更。现在我将回顾一下这个课题近来的历史,并告诉你们最新的宇宙末世论。
残酷的选择
在20世纪30年代早期,爱因斯坦公开抨击宇宙学常数的概念之后,弗里德曼的均匀各向同性模型给出了清晰又简洁的预测:如果宇宙密度大于临界密度,那么宇宙将发生大挤压,否则将永远膨胀下去。为了确定宇宙的命运,我们必须精确测量物质的平均密度,看看它是否大于临界密度。如果大于临界密度,那么宇宙膨胀将逐渐放缓,随后开始收缩。收缩起初缓慢,然后将加速,星系将逐渐靠近,直至合并成一个巨大的恒星集团。天空会变得越来越亮,但亮度不是来自恒星,那时候它们很可能已经全部死亡了。天空变亮的真实原因是宇宙背景辐射强度的增加,这种辐射会将恒星和行星的残留物加热至一个令人不安的温度,任何侥幸存活至此刻的生物都将像沸水中的龙虾一样丧命。
恒星最终将在相互碰撞中瓦解,或者被强烈的辐射热所蒸发。由此导致的炽热火球与早期宇宙中的火球类似,不同的是现在宇宙在收缩,而不是膨胀。另一个与大爆炸的差别在于,收缩时的火球相当不均匀,密度更高的区域会率先收缩形成黑洞,然后合并成为更大的黑洞,直至在大挤压中全部合并在一处。
与此相对,在密度小于临界密度的情况下,物质的引力太弱,不足以扭转膨胀的局势,宇宙将永远膨胀下去。在不到一万亿年的时间内,所有的恒星都将燃尽其核燃料,星系将变成一群一群的冷却的恒星遗迹,比如白矮星、中子星和黑洞。宇宙将变得完全黑暗,幽灵般的星系将四散飞向膨胀的空间。
这种状态至少要持续1031年,但是构成恒星遗迹的核子最终将衰变,成为正电子、电子、中微子这样更轻的粒子。电子和正电子互相湮灭放出光子,而死去的恒星开始慢慢分解。甚至黑洞也不会永远存在:霍金的着名观点就是黑洞会泄漏辐射的量子,这意味着黑洞将逐渐失去它所有的质量,或者,按照物理学家们的说法,黑洞将“蒸发”。不管怎样,在不到10100年的时间内,宇宙中所有我们熟知的结构都将消失,恒星、星系、星系团都将消失得无影无踪,只留下日益稀薄的中微子和辐射的混合体。宇宙的命运包含在一个被称为Ω的参数中,它被定义为宇宙平均密度除以临界密度。如果Ω大于1,即平均密度大于临界密度,宇宙将在大火球和大挤压中终结;而如果Ω小于1,平均密度小于临界密度,我们的宇宙将会日益冷却、逐渐解体。在Ω等于1的临界情况下,膨胀越来越慢,但是永远不会完全停止,宇宙勉强逃脱了大挤压的命运,却会变成一个冰封的墓地。
半个多世纪以来,天文学家们努力尝试测量Ω的数值,然而大自然并不愿意透露自己的长期计划。Ω非常接近1,但是目前测量的精确度还不足以判断它到底是大于1还是小于1。
暴胀的转折
20世纪80年代末,随着暴胀这一概念的出现,我们关于世界末日的看法也发生了变化。在此之前,从理论上看,大挤压的可能性和无限膨胀的可能性平分秋色,但是现在,暴胀理论做出了非常明确的预测。
在暴胀期间,宇宙的密度非常接近于临界密度。由于标量场不同位置的量子涨落幅度不同,某些区域的密度会高于临界值,而另外一些区域的则会低于临界值,但是平均下来几乎完全等于临界密度。因此,那些担忧宇宙会在数万亿年内坍缩并造成大挤压的人现在可以放心了,宇宙的结局会来得非常缓慢而枯燥无聊,太阳的冰冷残骸永远就这么四处游荡着,等待其中所有的核子衰变殆尽。
处于临界密度的宇宙的一个典型特征,就是内部结构形成的过程会变得极其缓慢,形成越大型的结构所需的时间越长。首先是星系形成,随后聚集成星系团,再之后星系团聚集成超星系团。如果我们可观测区域内的平均密度高于临界值,那么在大约100万亿年间,整个区域都将变为一个巨大的超级星系团。到那时,所有的恒星都已经死去,所有的观测者可能也已经灭绝了,但是结构形成的过程仍在继续,并扩展到越来越大的尺度上。只有当宇宙结构因核子衰变和黑洞蒸发而解体时,这一过程才会停止。
暴胀理论带来的另一个转折是,整个宇宙将永远不会终结,因为暴胀是永恒的。无数个与我们相似的区域将会在暴胀时空的其他部分形成,其中的居民也将和我们一样,努力去理解这一切是如何开始的,又会如何结束。
寂寞的银河系
弗里德曼提出了宇宙密度和其最终命运之间的关系,然而这一关系只有在真空能量密度(即宇宙学常数)等于零时才成立。在1998年之前,宇宙学常数为零是标准假设,但是当相反的证据被发现时,早期所有关于宇宙未来的预测都必须修改。其中的主要预测不会改变,即(局部的)世界将会在寒冰中终结,而不是在烈火中,但是一些相关细节需要修正。
正如我们在前文中讨论的,一旦物质密度降到真空能量密度以下,宇宙膨胀就开始加速,任何引力集聚都将在那时停止。已经由引力结合在一起的星系团将幸存下来,但是松散的星系群将被真空的斥引力所分散。
我们的银河系属于所谓的本星系群,其中包括巨型旋涡星系仙女星系和大约20个矮星系。仙女座正在与银河系相向运动,二者将在大约1 000亿年后合并。本星系团之外的星系都会飞快地离开,速度越来越快,它们将一个接一个地穿过我们的视野,消失在远方,这一过程将在几千亿年后完成。在那个遥远的年代,天文学将成为一门非常枯燥的学科。除了由银河系、仙女星系以及矮星系联合形成的巨大星系外,天空中将空无一物。我们应该尽情欣赏天空中的天文现象,趁它们还在的时候!
最后的审判
如果宇宙学常数真的是一个常数,我们对于宇宙的预测就能完成了。但是正如我们所知,有充分的理由相信,真空能量密度取值的变动范围非常大,在宇宙中的不同区域有不同的取值。在某些区域中,这一数值是大的正数,另外一些区域中的取值是大的负数,只有在极少部分区域内它接近零,也只有在这些极少的区域中,才会产生生命来关心到底什么是宇宙学常数。
由此可见,我们在这里观测到的数值并不是最低的可能能量密度,而且,在未来它还将不可避免地变得更低。以林德的模型为例,真空能来源于一个标量场,其能量函数极其平缓(见图13.1),以至于在大爆炸后的140亿年内,标量场几乎没有变化。但是场最终还是会沿着函数滚下,而宇宙加速也将开始变缓。到某一时刻,标量场会低于零,即能量密度取值为负,而负的真空能表现为相吸的引力,所以此后不久宇宙就将停止膨胀,而开始收缩。
另一种场景来自弦论的景观。从经典物理学出发,我们的真空是稳定的,具有恒定的能量密度;但是从量子力学的角度,它可以通过宇宙泡成核而发生衰变。负真空能的宇宙泡偶尔会突然出现,并以接近光速的速度迅速膨胀。就在此时,或许就有宇宙泡的泡壁向我们冲来,不过我们不会看到它的到来,因为它移动得太快了,光也不会比它快多少。但是一旦被泡壁击中,我们的世界将被完全毁灭,组成恒星、行星、甚至我们身体的粒子都无法在新的真空中存在,所有我们熟悉的事物都将被立即摧毁,变成一些由陌生物质组成的团块。
不管怎样,我们本区域内的真空能量最终将变为负数,随后该区域将开始收缩并最终形成大挤压。变化发生的具体时间很难预测。一方面,宇宙泡的成核率极低,因此我们所在的区域很可能要经过10100年的时间才会被泡壁撞上。而另一方面,在标量场的模型中,世界末日的时间取决于能量函数的斜率,这个时刻可能在200亿年后就会到来。
马丁·里斯和唐·佩奇等人研究了遥远未来宇宙中的物理过程。更通俗的综述请参见由Paul Davies所着的The last three minutes: conjectures about the ultimate fate of the universe (Basic Books, New York, 1994)一书。
请参见K. Nagamine and A. Loeb, “Future evolution of nearby large-scale structure in a universe dominated by a cosmological constant”, New Astronomy, vol. 8, p. 439 (2003)。
我与豪梅·加里加合着的论文中预测了本区域的宇宙将会收缩,直至造成大挤压的结局,论文题为Testable anthropic predictions for dark energy,发表于Physical Review, vol. D67, p. 043503 (2003)。然而,我们也指出,这一预测不可能很快得到验证。
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