宇宙将如何终结？

宇宙学处理宇宙的宏大问题，这些问题往往也是让哲学家夜不能寐的问题。宇宙是什么时候开始的？它是如何开始的？宇宙一直在膨胀吗？（记录在案的答案是：大约在 138 亿年前，在一个密度极高并迅速膨胀的状态下，称为大爆炸，是的，但并非一直以相同的速度。）但有一个问题他们还没有弄清楚：这一切将如何结束？

这确实是一个宏大的问题，但我们在寻找答案的道路上取得了令人惊讶的进展。在 20 世纪的最后几年，天体物理学界震惊地得知宇宙正在自行加速分离。几十年来，科学家们一直知道遥远的星系都在远离我们，越远的星系移动得越快。这唯一说得通的就是宇宙本身正在膨胀。考虑到宇宙中的所有物质，引力应该会减缓这种膨胀。但当宇宙学家计算出它减缓了多少时，他们得到了一个负数结果——宇宙的膨胀正在加速！

没有人知道是什么在驱动这种加速，所以宇宙学家称这种神秘现象为暗能量。它如此占主导地位（约占整个宇宙总含量的 69%），以至于暗能量迅速成为讨论宇宙最终结局的任何话题的一部分。尽管目前还没有确切的答案，但这些讨论已经提出了一些有趣的可能。

大撕裂

没人知道暗能量是什么，所以我们无法确定它在未来会如何表现。2003 年，达特茅斯学院的 Robert Caldwell 提出了一个关于宇宙膨胀的新理论，该理论认为加速率会随着时间的推移而持续增加。

想象一辆汽车的驾驶员一直踩着油门，而这辆车的最高加速度却不受限制。随着汽车越跑越快——速度变化本身的速度随时间增加——汽车最终会因摩擦力而分崩离析。

宇宙以持续的加速也会发生类似的事情：星系将被摧毁，太阳系将被瓦解，最终所有行星都将粉身碎骨，因为空间的快速膨胀会撕裂其原子。最后，我们的宇宙将以爆炸告终，达到一个字面意义上无限能量的奇点。

目前的理论预测，如果这种所谓的“大撕裂”在我们未来发生，它还需要 220 亿年才能到来。但仍有许多细节需要完善，像范德堡大学数学家 Marcelo Disconzi 这样的科学家将提供这些细节。他的工作最初专注于体积粘度——衡量流体抗拒膨胀或收缩的程度——以及运动流体在接近光速时如何表现。（这种情况可能发生在极端的天文事件中，例如恒星爆炸。）没有人成功地模拟过粘性流体在相对论速度下的行为，但 Disconzi 与范德堡大学物理系的同事合作，成功地做到了这一点。

几十年来，科学家们一直在努力将主流物理学对粘度的理解与一个相关概念联系起来：宇宙粘度，它告诉我们宇宙对加速膨胀的阻力。宇宙在大尺度上被建模为一种流体，因此 Disconzi 的工作在开始理解宇宙粘度方面发挥了重要作用。他首次表明，如果“大撕裂”发生，其驱动力可能是宇宙的宇宙粘度。

结果很有趣，但 Disconzi 承认，“大撕裂”理论仍然需要一些工作才能说得通，特别是关于释放无限能量的部分。

他说：“在物理学中，发现一个无穷大很可能表明我们遗漏了拼图的一部分。”

一个改进的理论可能会表明，无论“大撕裂”变得多么巨大，宇宙的膨胀率实际上都不会达到无穷大。目前，就像许多宇宙学理论一样，我们只能拭目以待。

大冻结

许多现有理论表明，暗能量是一种宇宙学常数，一种存在于整个空间的均匀能量。“如果宇宙学常数是宇宙中占主导地位的东西，”宾夕法尼亚大学粒子宇宙学中心联合主任 Mark Trodden 解释说，那么宇宙就不会无休止地加速并撕裂自身，而是会永远膨胀下去。“如果宇宙学常数继续占主导地位，宇宙将继续加速，仅此而已。”

“仅此而已”听起来可能没什么，但这是个凄凉的结局。随着宇宙学常数继续驱动宇宙加速，在几万亿年后，我们周围社区之外的所有星系都将变得太远而无法看见——它们的光根本无法到达我们。熵也会继续增加：在 100 万亿年后，随着所有可以为其提供燃料的物质耗尽，恒星的形成本身将停止。黑洞将蒸发，物质本身最终将衰变成辐射，宇宙将在永恒的余生中成为一个寒冷、无光、无生命的场所。这个黑暗的未来被称为“大冻结”。

暗能量是如此令人费解，以至于花了近二十年的时间才理解这一理论，足以设计实验来研究它，更不用说弄清楚“大冻结”是否在我们未来。 （当然，如果我们能做什么，我们也无能为力。）Trodden 是一个正在建设中的大型巡天望远镜（LSST）计划实验的理论家之一，该望远镜将每隔几天就以前所未有的细节对整个天空进行成像。当它在 2022 年“启动”时，该望远镜将每晚观测数十亿个星系，让天体物理学家拥有无与伦比的能力来测试星系的性质。

通过分析引力如何影响星系的光，并分析它们在空间中的三维位置和运动，科学家们应该有足够的信息来最终解开暗能量的一些秘密。它是源于空间真空中的量子涨落吗？它仅仅是我们要添加到物理定律中的引力的一部分吗？理解这些细节对于我们弄清楚我们是否将走向“大冻结”——或者其他什么——至关重要。

虚真空

当然，总有可能暗能量实际上并不重要。我们考虑的其他场景都假定我们的宇宙就是全部。但如果存在更多，而我们的宇宙只是一个多元宇宙的一小部分呢？这些其他宇宙会影响我们自己的最终命运吗？

简而言之，是的。“想象一下，你进入一个非常非常大的尺度——远远大于我们目前可观测宇宙的尺度，”伦敦大学学院的宇宙学家 Jonathan Braden 解释道。虽然我们自己的宇宙是均匀的，处处大致相同，但从如此大的视角来看，可能会发现它只是一个具有自身物理参数和定律的微小区域，与更大的多元宇宙不同。

如果是这样，我们的宇宙将处于所谓的“虚真空”状态，在那里我们错误地认为我们存在于最稳定的状态，但仍然有可能突然跌落到另一个状态。Braden 解释说，这将导致相变，一个类似于水在沸点时从液体变成气体的变化——只是对整个宇宙而言。基本上，我们的宇宙可能就像一壶沸水中一个正在沸腾的气泡，他说，只是许多拥有自己定律和常数的宇宙之一。“最终，这些气泡会相互碰撞，从我们的角度来看，这就像我们的宇宙……与另一个宇宙发生了碰撞。”

这将像听起来一样糟糕。这种碰撞将意味着我们宇宙的即时终结，因为一切都将变成一个新的状态。它可能导致两个宇宙的结合，或者可能创造出全新的东西。不会有任何警告，我们对此也无能为力。

然而，科学家们可以做的是，看看我们的宇宙在遥远的过去是否曾经存在过虚真空，这可以帮助我们判断再次发生此类碰撞的可能性。这种史前虚真空必然比我们宇宙的尺度小得多（只是我们宇宙中的一个气泡），但它可能仍然留下一些曾经发生过奇怪事情的线索。

Braden 是一个研究团队的一部分，该团队正在尝试预测这种信号会是什么样子。他们的主要目标是宇宙微波背景（CMB），这是科学家们能看到的最古老的光，可以追溯到宇宙只有 380,000 岁的时候。该团队希望，也许 CMB 上一个微小的凸起会揭示出遥远的过去存在虚真空，并为多元宇宙提供第一个确凿的证据。

如果我们无法阻止我们宇宙的终结，我们至少能做的就是尝试去理解它。

这些都不是终结

问一位理论宇宙学家宇宙将如何终结，你会听到的第一件事就是还有多少选项摆在桌面上。“仅凭局部测量很难说宇宙将如何终结，”宾夕法尼亚大学的 Mark Trodden 解释道。我们几乎没有什么确定的；在一个充满无限可能性的宇宙中，任何事情都可能发生。但随着暗能量的出现，之前的一些关于我们最终命运的竞争者现在变得不太可能了。

大挤压：大挤压是宇宙可能如何终结的一个经典场景。核心思想是：如果宇宙的膨胀不会永远持续下去呢？在某个时刻，宇宙可能会因为其中所有物质的引力作用而停止增长，然后它会开始向内坍缩。

最终结果将是一个达到微小奇点的宇宙，这是大爆炸的黑暗反映。甚至有人推测，“大挤压”之后可能会立即产生“大反弹”，从而“大爆炸”出一个新的宇宙。也许我们的宇宙只是无限循环的“大爆炸”、“大挤压”和“大反弹”中的一个迭代。

不幸的是，暗能量的发现给“大挤压”带来了致命打击，因为它表明宇宙将永远膨胀下去。除非暗能量的性质发生巨大变化，否则“大挤压”似乎不太可能成为宇宙的终结方式。

戴森场景：关于宇宙最终命运的一个重要问题与它的居民有关：智慧和意识能否战胜熵，即宇宙最终的衰竭？

在 20 世纪 70 年代，Freeman Dyson 是最早用现代宇宙学思考宇宙终结的物理学家之一。他提出，在遥远的未来，智能生物可能会想办法“欺骗”类似“大冻结”的场景。首先，在末日临近时，这些生物需要储存有限的能量；然后他们会用一半的能量来驱动他们的思想（他们超级先进生命的唯一残余）。

一旦这些能量用完，生物就会进入非能量消耗状态；它们将处于休眠状态，而能量则保留下来。宇宙将继续冷却，运行下去，但在某个点之后，剩余能量储备的另一半将被释放，这得益于生物创造的、尚未知晓的技术，使它们能够再次思考。

它们实际上会复活，而不会意识到思想的中断。最终，它们会用完可用的能量并返回休眠状态，并有更多的能量储备。它们可以无限期地维持这个循环，从它们的角度来看，它们永远不会面临宇宙的终结。生物的思考过程会随着时间变慢，但通过这种能量配给，它们可以有无数次思考。如果时间无限地延伸下去，谁会在乎缓慢的思维过程呢？

Dyson 关于永恒智慧的概念是对如何看待宇宙终结不一定是文明终结的一个很好的尝试，但就像“大挤压”一样，它无法克服暗能量的含义。加速膨胀的宇宙意味着，最终处于接触状态的部分将彼此隔离，并且这些区域中储存的能量将无法访问。因此，尽管一些理论家推测我们的后代可以通过虫洞或黑洞的形成将信息转移到新的“婴儿”宇宙，但看来，在某个点之后，我们宇宙中的智能将变得不可能。

这篇文章最初以“游戏结束”的标题刊登在印刷版上。