如何度过宇宙末日

今年对于末日预言家来说将是糟糕的一年。根据预言，世界注定会因太阳风暴、小行星撞击、流浪行星碰撞、瘟疫、流星、地震、债务危机或其组合而毁灭。当然，除了据报道一家色情工作室正在建造一个可选着装的地下掩体外，似乎没有人为这些即将到来的2012年世界末日做准备。

我们为什么要准备呢？从科学上讲，这些预言纯粹是炒作。物理学家可以做得更好。谈到末日情景，宇宙学数据分析师拥有更具意义的预测工具，可以告诉我们它将如何真正结束——不仅仅是地球，而是整个宇宙。最重要的是，他们可以告诉我们如何生存下来。

奇怪的是，科学在预测恒星的死亡等事情上比预测下周的天气要好得多。正是相同的物理定律，使得科学家能够研究137亿年前发生的大爆炸，也使他们能够以极高的精度展望未来。很少有人能比加州大学圣克鲁斯分校的天文学家格雷格·劳克林（Greg Laughlin）——科学界的领先预言家——看得更远。1992年，作为一名研究生，他正在进行一个简单的恒星形成计算机模拟，午餐时他休息了一下，不小心让模拟继续运行。当他一小时后回来时，模拟已经推进了100万亿年，比大多数科学家所想（或敢于）探索的未来要远得多。

程序本身并没有揭示任何令人震惊的事情——模拟的恒星早已冷却并死亡——但劳克林对使用物理模拟来跨越巨大的时间鸿沟这一概念很感兴趣。“这让我意识到，事物将会演化，并且在时间尺度上，它们仍将存在，这个时间尺度比宇宙目前的年龄还要长得多。”他说。

四年后，劳克林仍然对此着迷，他与密歇根大学物理学教授弗雷德·亚当斯（Fred Adams）合作，更严格地研究宇宙的未来。两人利用业余时间在《现代物理评论》杂志上合著了一篇57页的论文，详细阐述了未来一系列的末日：太阳的死亡、恒星的终结，以及关于整个宇宙命运的多种情景。

这篇论文在通俗媒体上引起了惊人的轰动，甚至登上了《纽约时报》的头版。劳克林和亚当斯很快就在讲座界炙手可热，与志同道合的同事们一起讨论诸如永恒物理学和应对难以想象的严酷宇宙事件的可能生存策略等重大话题。（一项未来预测预示着时空结构会发生剧烈撕裂，在30分钟内摧毁所有物质。）“没有人把这作为毕生的工作，”克利夫兰凯斯西储大学的理论物理学家格伦·斯塔克曼（Glenn Starkman）说，他曾合著过《不断膨胀宇宙中的生与死》等轻松愉快的论文。“还有更紧迫的问题，”他说，“但这很有趣，值得思考。”

逃离地球 对于斯塔克曼和其他未来学家来说，乐趣始于十亿年之后，这个时间跨度是智人在地球上漫游时代的5000倍。如果慷慨地假设人类能够挺过多次冰河期并躲过不可避免的小行星或彗星撞击（美国宇航局预测，在此期间，至少会有10次像灭绝恐龙的岩石那么大的撞击），研究人员预测我们将遇到一个更大的问题：太阳正在老化。

像太阳这样稳定的恒星通过氢原子聚变产生氦和能量而发光。但随着恒星年龄增长，核心积累的氦会将这些高能氢反应向外推。结果，恒星膨胀并向宇宙释放越来越多的热量。今天的太阳已经比46亿年前诞生时亮了40%。根据英国萨塞克斯大学天文学家K.-P. Schröder和Robert Connon Smith2008年的一项模型，在十亿年内，太阳将比现在释放多10%的能量，导致地球上无可辩驳的全球变暖。海洋将蒸发殆尽，大气层将随着水蒸气泄漏到太空中而干涸，温度将飙升至700华氏度以上，所有这些都将把我们的星球变成一个被厚厚的硫和二氧化碳云层窒息的金星般的炼狱。细菌可能会暂时存在于地表深处微小的液态水袋中，但人类在这片区域的统治将结束。

然而，如果积极主动的地球人能够想出办法首先殖民火星，这种灾难性的结果可能并不重要。红色星球作为安全之地提供了许多优势：它相对较近，并且似乎含有许多生命所需的成分。从20世纪70年代的“海盗号”到今天仍在火星上漫游的“勇气号”火星车，一系列机器人任务都观测到了古老的河床和极地冰盖，储存的水足以淹没整个星球，形成一个40英尺深的海洋。去年8月，“火星勘测轨道飞行器”发回了延时照片，表明盐水仍然在火星表面流动。

人类在火星居住的主要障碍是它太冷了。太阳的变亮可以解决这个问题——或者人类可以在不等待十亿年的情况下开始这项工作。“据我们所知，火星确实曾有生命、海洋和厚厚的大气层，”NASA行星科学家克里斯托弗·麦凯说，“我们可以让它恢复。”

麦凯是研究通过一个名为行星地球化改造的过程将火星转化为类地世界的主要科学家。他利用实验室实验和气候模型，证明制造和释放超过30亿吨全氟化碳和其他强效温室气体可以使火星变暖。火星上的自然过程随后会接管：冰盖将融化，释放水和二氧化碳，加速变暖过程，直到火星拥有一个厚实、可持续的大气层。在麦凯看来，10亿年足以定制一个火星前哨站和一艘将我们带到那里的宇宙飞船。他指出，现有技术理论上可以在三个月内将宇航员送上火星。人们希望我们可以在未来万亿年中有所改进。

现在，让我们假设我们做到了，人类成功地迁徙到了火星。根据劳克林的计算，在地球变得不适合居住之后，火星上的生命可以相对舒适地持续45亿年，直到太阳的膨胀再次迫使我们迁徙。根据恒星演化的标准模型，大约在那个时候，太阳将大部分耗尽其核心的氢储备，并随着其聚变反应向外迁移而开始膨胀。天文学家通过望远镜观测到许多其他恒星上演了这一幕，因此他们相当肯定接下来会发生什么：在一场戏剧性的生长突增中，太阳将膨胀成为一颗红巨星，其体积是现在的250倍，亮度是现在的2700倍，并越来越远地延伸到太阳系。它将汽化水星、金星和地球，并将火星变成一个熔融的荒地。

那么接下来去哪里？火星殖民地可以打包飞船，迁往木卫二欧罗巴，科学家们认为那里冰壳下隐藏着一个巨大的液态水海洋。在变亮的太阳加热下，欧罗巴可能变成一个郁郁葱葱的海洋星球。当欧罗巴过热时，土卫六泰坦——它已经拥有富含有机化合物的厚重大气层——可能成为人类的下一个休息站。但最终太阳会烧毁那个前哨站以及太阳系中的每一个其他前哨站。就连现在极度寒冷的冥王星（目前为零下400华氏度）也将热得不适合居住。最后，在红巨星阶段大约1.3亿年后，太阳将经历最后的痉挛，将其外层喷射到太空中，留下一个白矮星：一个炽热、致密的碳氧块，不比地球大。在那场戏剧中在太阳系内移动，有点像把海滨别墅向内陆移动一英寸。

前往比邻星 在这些情况下，劳克林认为我们物种的持续生存将取决于开发由核聚变或物质-反物质湮灭推动的高载量星际飞船，这些飞船可以迅速将人们运送到围绕其他恒星运行的行星上。（目前的化学火箭太慢了；它们需要10万年才能到达最近的恒星。）天文学家已经发现了围绕其他恒星运行的600多颗行星，其中一些与地球大小相近，并认为我们的银河系中存在数十亿颗更多行星。

为了长期的解决方案，劳克林建议殖民一颗拥有更稳定太阳的行星。以最近的邻近恒星比邻星为例——距离地球仅4.2光年。它是一颗红矮星，比我们目前的太阳小得多、冷得多，但寿命长达4万亿年，大约是太阳的400倍。天文学家尚未发现任何围绕它运行的行星，但他们已经发现了围绕类似恒星运行的行星。红矮星恰好也是银河系中最常见的恒星类型，所以即使比邻星不会永远很近，我们仍然会有大量的居住选择。

如果人类能够成功殖民围绕比邻星或其他红矮星运行的行星，我们就能享受数万亿年的无灾难生活。劳克林说：“未来在于红矮星。”

也就是说，直到红矮星死亡。当比邻星消亡时，人类可以迁徙到另一颗红矮星，然后再迁徙到另一颗，但这种策略无法永远奏效。恒星需要燃料，尽管宇宙广袤无垠，但燃料总量有限。新形成的恒星正在逐渐耗尽宇宙中的氢供应。大约在未来100万亿年，它们将耗尽宇宙的氢储量。随着现有恒星消耗完最后一滴燃料，它们将一颗接一颗地熄灭，宇宙的光芒将几乎完全消失。

那又如何？人类如何在没有光和温暖的情况下生存？劳克林说答案在于宇宙的秘密燃料储备：褐矮星，它们是木星大小的氢球，质量太大，不能被视为行星，但又从未达到成为成熟恒星的质量。2009年，美国宇航局发射了1433磅重的WISE卫星，它携带着一个宽视场红外望远镜，部分旨在探测这种发育不全的恒星；此后，它在地球20光年范围内发现了100颗这样的恒星。从这个样本来看，银河系可能还有数十亿颗。劳克林设想，即使红矮星熄灭，这些寒冷的氢气球也能让文明持续运转。他解释说，当褐矮星偶尔碰撞时，它们可以引发一颗新的维持生命的恒星的诞生。“很长一段时间内，银河系中总会有大约10到15颗恒星在闪耀，每颗恒星持续数万亿年，”劳克林说，“褐矮星的碰撞应该还会持续10万亿亿年。”这将使我们比红矮星持续的时间长一千倍。

但我们可能不需要依赖偶然的碰撞。凯斯西储大学的物理学家格伦·斯塔克曼（Glenn Starkman）也考虑了无星时代，并提出了一个应急计划。他说，到大自然无法再产生新恒星的时候，我们可能已经知道如何创造自己的恒星。斯塔克曼抱有希望，认为某处有人会找到一种方法，通过开采已逝恒星的残骸来产生能量。“我们可以很好地从一颗恒星到另一颗恒星，慢慢地消耗它们。”他说。

中子星，巨星坍缩后的残骸，将提供最大的效益。它们是宇宙中最致密的物体之一，将太阳数倍的质量压缩在一个直径仅有10到15英里的球体内。“每一颗中子星都能为一个文明提供巨大的能量，”斯塔克曼说。如何利用所有这些能量完全是另一个问题。

宇宙末日 当物理学家展望未来100万亿年时，他们看到的潜在威胁比膨胀的太阳甚至所有恒星的死亡都更加可怕。斯塔克曼说，我们还必须考虑一种普遍存在的宇宙力量——暗能量——可能带来的毁灭性影响。“简单来说，”他说，“暗能量对生命非常不利。”

科学家不知道暗能量是什么，但他们知道它产生一种斥力效应，使宇宙膨胀得越来越快。乍一看，这似乎是件好事。膨胀的宇宙创造了更多的空间，从而为生命探索和利用提供了不断增长的疆域。但暗能量有一个不幸的缺点：它将星系彼此拉开。

在大约1000亿年后，当未来的人类正在比邻星附近享受漫长的停留时，像斯塔克曼这样的物理学家认为，暗能量将极大地拉伸银河系与其他星系之间巨大的空旷空间，在它们之间形成一道无法逾越的鸿沟。这样，我们银河系之外的每个星系最终都将变得不可见且无法到达；试图在星系之间旅行将像原地慢跑一样徒劳。即使未来世代实现了《星际迷航》中那种以光速穿梭的科幻飞船，它们也永远无法到达银河系外的目的地。

这种现象被物理学家称为“大寒冷”，它将导致资源灾难性的限制。由于银河系之外的所有物质和能量都无法触及，我们将甚至无法看到其他星系中的恒星和行星。“将没有新的世界可以征服，”斯塔克曼在他2000年探讨生命最终命运的论文中写道。“我们将真正地孤身一人在宇宙中。”在这种情况下，人类将不得不最大限度地利用我们银河系中剩余的每一颗中子星和褐矮星。但一旦我们消耗完每一小块物质和能量，就什么都没有了。人类将灭绝。

宇宙将永远存在，尽管只是其昔日充满活力的自我的影子。它将逐渐变得更暗、更冷、更空旷，因为稀疏的剩余物质会衰变或被每个星系核心的巨大黑洞吸走。一旦它们吞噬了所有物质，在大约10的100次方年后，即使是黑洞也会蒸发并消失。

达特茅斯学院的物理学家罗伯特·卡德威尔（Robert Caldwell）说，这是一个黯淡的场景，但它并非最黯淡的。根据他的计算，与他和同事马克·卡米奥科夫斯基（Marc Kamionkowski）称为“大撕裂”（Big Rip）的结局相比，“大寒冷”将是一个幸福的结局。在他2003年的论文《幻影能量与宇宙末日》中，卡德威尔探讨了未来暗能量可能变得更强的可能性。目前，它只在巨大的距离上产生影响，例如星系团之间的空隙，但卡德威尔说，一些理论表明暗能量可能刚刚开始发力。如果是这样，那么在200亿年内——在我们围绕红矮星的旅程中相当早期——暗能量可能会开始对更小的物体造成破坏。

恒星将被从星系中撕裂。然后行星将被从它们的恒星中拉扯出来。在一个非凡的半小时内，暗能量将逐渐撕裂宇宙中最小的碎片。人类的家园行星将一层一层地被拆解——先是大气层，然后是地壳，一直到地核——在一场奇妙的爆炸中。“任何停留在行星上的东西都会——呼——飘走，”卡德威尔说。在最后10^-19秒，暗能量将把单个原子撕裂。最终，它将把时空的结构撕裂，标志着宇宙的正式终结。唯一的慰藉是生命的灭绝将是快速而无痛的。

科学家对暗能量知之甚少，无法确定宇宙的命运是大寒冷、大撕裂还是两者皆非。卡德威尔和其他宇宙学家正在研究遥远的超新星，以测量宇宙的膨胀并探索暗能量随时间变化的影响趋势。“我们正处于大寒冷和大撕裂的分界线上，”卡德威尔说，“不确定性窗口包含这两种可能性。”

最后的逃生

即使在最乐观的预测中，暗能量最终也会在大寒冷中耗尽我们的资源，但这留给我们10,000,000,000,000,000,000年的时间来完善最极端的生存策略：在宇宙变冷、撕裂、坍缩、反弹或化为乌有之前逃离宇宙（是的，这些都是物理学家考虑过的所有情景）。

许多宇宙学家现在相信，还有其他宇宙隐藏在我们的视线之外——根据弦理论，一种统一所有宇宙物理定律的优雅方法，这样的宇宙多达10的500次方个。去年8月，希腊和德国物理学家利用弦理论方程证明，有可能开发出连接我们宇宙和其他宇宙的虫洞。有10的500次方个宇宙可供选择，其中至少一个应该适合生命。

但别指望斯塔克曼提供操作建议。穿梭虫洞到其他宇宙显然跨越了他将科学预测与2012年神学区分开来的微妙界线。“现在我们真的开始推测了，”他说。

生存目的地（和一个巨大的燃料泵）

1. 泰坦，此处是来自美国宇航局卡西尼号探测器的合成图像，可能在约60亿年后成为人类居住的目标，届时太阳将比现在大得多、亮得多。土星最大的卫星已经提供了厚重的大气层等必需品。2. 半人马座阿尔法星（箭头所示）是一个由三颗恒星组成的系统，其中一颗是红矮星比邻星。红矮星的寿命长达数万亿年，使其成为我们离开太阳系后理想的长期家园。