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生命在世界末日的10个古怪问题

2016-7-7 环球解密

毋庸置疑,宇宙终将消亡。其中最广为接受的世界末日模拟情景之一是宇宙膨胀,并且因宇宙热寂,宇宙中能量与物质的退降量将随之增加,直到我们所知的宇宙物质全都消亡。但,当末日来临,生命究竟会呈现何种样子?该问题一经问出,便引发了许多关于宇宙及生命本身的思考。

10. 看不到星星

10 1500亿年后,地球上的夜空将会与现在不同。随着宇宙热寂(即宇宙冷却)加快,太空的膨胀速度将超越光速。众所周知,光速是宇宙中天体移动速度极限。然而,这也同样适用于太空中的物质,而并非时空本身的组成元素。这是一种使人们感到困惑且难以理解的概念。但时空的组织元素,其膨胀速度已经快于光速,而在遥远的未来,它将会产生前所未有的影响。 因为太空自身的膨胀速度快于光速,宇宙视界才得以存在。为了观察并记录任何越过视界的物质,我们需要有能力检测和记录移动速度超过光速的粒子。但事实上,这种粒子并不存在,一旦物质越过我们的视界,我们就无法看到了。任何与遥远星系的联系及相互作用的尝试,都要求我们拥有(能使自身)快于太空膨胀速度的科技。如今,只有极少的天体处在我们的视界之外。但由于暗能量促使时空膨胀加速,未来所有的物质都将会脱离我们的观测范围。 那这对于地球而言又意味着什么呢?试想一下,你在1500亿年后抬头仰望夜空。唯一能看到的只不过是仍处于我们视界范围的寥寥数星。而最终,甚至这寥寥数星也将消失。夜空将变得空白一片。未来的天文学家将无法证明宇宙中有另外的天体存在。我们现在能看到的所有星星及星云,在未来将全然超出望远镜的观测范围。而就算我们能看得到,大概也只是我们所处的太阳系仅存的星体吧。

9. 太阳变成黑矮星

9 如今,我们宇宙中存在着许许多多不同类型的恒星。红矮星是表面温度较低、且发出红光的恒星,是最普通的恒星之一。与其有语义联系的另外一种名为白矮星的恒星也同样存在于宇宙中。这是恒星死亡后的星体遗核,由简并态物质借以量子效应(quantum effects)构成。现如今,天文学家认为白矮星有着基本上无限长的寿命。宇宙存在的时间不足以让白矮星消亡。但如果时间充足,它们便会死亡并演变成名叫黑矮星的奇异星。 我们的太阳目前正处于这一演化过程。在遥远的未来,太阳的外层将逐步褪去,演变成一颗白矮星,之后数十亿年都将保持这种状态。随着宇宙活动逐渐减少,由太阳演化而来的这颗白矮星将开始冷却。10100年过后,它将持续冷却,直到表面温度等同于宇宙微波背景辐射(the background microwave radiation),即绝对零度(约为-273.15度)以上几开尔文摄氏度。 到那时,它会演化为一颗黑矮星。这种天体表面温度极低,因此人类肉眼不可见。如此一来,曾经给我们带来生命的太阳将无法通过光学系统侦测到。由此,人们不得不依赖于重力侦测方法来实现这一目的。我们目前在夜空中看到的大多数恒星在未来会演变为黑矮星,而对于太阳将变成又黑又冷的恒星,这只是个人理解罢了。

8. 奇怪的天体

8 等到太阳成为一颗黑矮星,恒星演化也将结束。再不会有新的恒星形成,而且宇宙中将布满恒星的遗核。而宇宙开始发展一些奇怪的天体,这些天体与我们已知的那些大不相同。 其中之一便是冻星(frozen star)。随着宇宙中恒星的核燃料耗尽,恒星的金属丰度将有所增加。在天文学中,金属丰度就是恒星中所有重于氦元素的元素含量。(一般来说,从锂元素开始)。若是恒星中金属丰度越大,恒星表面温度会变得越低,因为在核聚变中越重的元素,释放出的能量越少。最终,恒星表面温度将低至273开尔文摄氏度,相当于水的冰点。 在更远的未来,宇宙中将有一个更为奇怪的天体出现。未来大约101500年后,热寂将一直持续,从本质上而言宇宙将终结。在这一冷却期,量子效应将主宰整个宇宙。 那时候,量子遂穿将开始使轻元素(light elements)融合成一种不稳定的铁形态。然后,又会衰变成为一种更稳定的同位素,释放出大量微弱的能量。这种所谓的铁行星将会是冷却期可能存在的唯一天体形态,但是这只是种模拟假想。而天文学家们认为质子并不会衰变,所以有关铁星的这一假想并非主流观念。

7. 所有核子衰变

7 从宇宙大爆炸之后1015年快进至1034年,若人类在之前的宇宙大爆炸中没有灭绝,我们也绝不会在之后这一纪元中幸存下来。如前文所述,天文学家们一直在争论质子是否会在宇宙终结时发生衰变,而且并未达成一致意见。从这一出发点,我们将遵循这个模拟假想。 核子又称粒子,是原子核中的质子也是其中的中子的总称。据了解,自由核子有大约10分钟的半衰期。但质子的稳定性却十分惊人。从未有人发现任何能显示质子会衰变的证据。但也许这将在宇宙终结时发生改变。 物理学家曾提出,一个质子有1037年的半衰期。而我们未能观察到质子衰变仅仅是因为宇宙存在时间还不够长。到了简并态纪元(the Degenerate Era)(1034 年到 1040),质子最终将衰变成正电子和介子,而在坚冰态纪元末期,宇宙中的所有质子和中子都将消亡。 这对宇宙中的生命有明显的影响。假定人类已经安然度过了太阳演化成黑矮星这一时期,并也已移居到了宇宙中更具生命力的某处,但关键在于,根据物理定律,人类注定要死去。我们的躯体以及所有的星际天体都是由核子构成的,一旦这些都衰变了,我们体内最重要的原子也就不会继续存在,随后我们所知的所有生命都将会终结。生命不能在这一时期幸存,宇宙也将从而跳入黑洞纪元。

6. 黑洞主宰宇宙

6 当核子衰变结束时,黑洞最终将在宇宙大爆炸后1034年到10100年这期间主宰宇宙。针对这一问题,我们所提及的时间太久了,我们的思维是不可能顾及如此久的时间的。但对于一段迄今为止比宇宙存在时间还要长的时期,能谈及的唯有黑洞。 随着核子衰亡,主要的次原子粒子将演化为轻子,如电子及正电子。这些物质将为黑洞供以燃料。因为黑洞消耗的是宇宙中的剩余物质,它们将自行放射出粒子,而这些粒子将为宇宙重新带来光子及假想引力子。然而,斯蒂芬•霍金(Steven Hawking)证实,即便是黑洞,也终将消亡。 霍金认为,黑洞会因自身的粒子放射而逐渐消逝。如若黑洞持续放射,它们将会损耗大量能量。这一过程会耗费很长一段时间,这也是我们对这个过程如此陌生的原因。黑洞完全消亡需要长达1060年之久,因而这一消亡过程将不会出现在宇宙的整个生命时期里。但最终,就算是黑洞也会消亡。而之后所留下的仅有的遗核将会是种种质量为零的粒子以及一小部分分散的轻子。这些遗核会在开始慢慢耗损自身能量时相互作用。

5. 一种新的原子形态

5 我们的宇宙演变成少数散落的亚原子粒子后,似乎就再也没什么可说的了。但在这个最不可能的地方,生命可能仍会出现。 多年来,粒子研究者一直在讨论正电子素,一种正电子与电子的类原子键合。正电子与电子这两种粒子彼此间具有异性电荷(opposite charge)(正电子是电子的反粒子)。这也就意味着当这两种粒子朝彼此移动时,它们将受到电磁吸引。而一旦这两种粒子开始相互作用,它们便能够沿原始的运转轨道移动,并且其表现形式也与我们所知的原子相一致。 因为正电子素很是稀有,现在并没有正电子素演化过程的完整模型。但这种稀奇的原子确实引发了一些有趣的事情。首先,它们能够在极大的环绕轨道内共存,即使之间的距离跨越星际。而且无论相隔多远,一旦这两种粒子开始相互作用,最终成对。 在黑洞纪元时期,这种“原子”中有一些的直径跨距会比现今我们所能观测得到的宇宙本身还要大。因为正电子素由轻粒子构成,因此正电子素原子在经历了质子衰变这一时期后仍会继续存在,并且会在黑洞纪元中幸存。事实上,黑洞将通过辐射来创造正电子素原子。如若时间充足,正电子素原子终将衰亡,它们会随着正电子—电子对之间越来越近,最终共同湮灭。但在此之前,宇宙将会以一种我们前所未见的方式创造出新生命。

4. 事物活动极其缓慢,包括思维

4 黑洞纪元终结,甚至连星际巨星也一同消失于黑暗之中,之后会有一些物质残存在我们的宇宙中,其中以分散的亚原子粒子以及残留的正电子素原子为主。一旦如此,宇宙中所有事物活动将变得极慢,每一次动作就持续数世纪。以弗里曼•戴森(Freeman Dyson)为首的一批理论物理学家认为,这一时期将会再次出现生命。 如果有大量的时间,正电子素中将开始生物进化。而之后出现的生命与我们已经见过的大不一样。比如,它们可能会很大,跨越星际。因为宇宙将不会有许多残留物存在,新出现的生命享有尽可能大的空间。但由于这些生命的形体极大,它们的思考速度也会慢于我们。事实上,对这些生命而言,光是形成单一的思维就要花上数万亿年。 这在我们看来似乎很疯狂,但因为这些生物将生存于极长的时间尺度中,思维对它们而言却好像是瞬时的。如果这些生物在宇宙终结时得以进化,它们也不会意识到思考变快了,正如你不会觉得思考要快于实际行动一样。对于处在宇宙终结时期的生命来说,“即时思考”是与冗长的时间段相对而言的。不过,这些也只是以我们为标准来衡量的。所有这些新生命将存活许久,它们将见证宇宙终结。即便如此,最终它们也还是会消亡。

3. 宏观物理学不复存在

3 到了这一时期,宇宙将近乎达到最大熵的状态,也就是说宇宙会成为一个统一的能量场,其内有少数亚原子粒子存在。这种状态会出现在黑洞纪元之后——未来宇宙膨胀10100年之后。这时候,太空将扩大许多,暗能量将变得极为强大,甚至是黑洞都无法继续存在,并且宇宙也将不再存有任何的大型星际天体。 很难想象宇宙会变成这样。宇宙膨胀在这时会非常明显,构成物质的亚原子粒子将因宇宙膨胀而被推离彼此极远,他们的移动速度不比光速快,彼此之间无法相互作用,因而我们所知的恒星将无法形成。而得以继续存在的将会是少数离散的粒子,这些粒子将在空空如也的宇宙中四处飘浮,甚至不能相互作用构成正电子素原子。 这就意味着我们已知的物理学将终结,未来可以应用的物理模型便仅有量子力学(quantum mechanics)。在广阔的的星际间距中,乃至冗长的时间帧内,量子效应将会以某种与现今宇宙中我们所知的全然相反的方式继续作用。最终,宇宙的整体温度将会降至绝对零度,也就是说,再不会有能量转化为功(work)。在一些模型中,太空膨胀会持续加速,直至最终时空分裂。到那时,我们的宇宙将不复存在。

2. 可能有条出路存在

2 到目前为止,与宇宙终结之旅相关的是一件又一件希望黯淡、令人沮丧的事。但如果物理学家们不乐观一些,不帮助人类在末日来临时幸存下来,或是不想办法使我们的宇宙重获生机的话,他们就什么也不是了。 在质子衰变终结生命之前利用黑洞,是使我们避开宇宙最大熵时期最可行的方法。黑洞现在依旧巨大又神秘,并且像斯蒂芬•霍金(Steven Hawking)一样的众多理论物理学家们都曾提出利用这些巨大的天体来开发新宇宙。 现代理论表明,气泡宇宙不断弹离我们现在所处的宇宙,而去构建另外的物质丰富且具有生命存在可能性的全新的宇宙。霍金认为,黑洞中可能有通往新宇宙的通道。但有一个问题,一旦你穿越进入黑洞,便无法全身而退,这在物理学方面广为人知。所以,如果决定了要进入黑洞,将有去无回。 为了能安全穿越黑洞事件视界(event horizon)(事件视界是从黑洞中发出的光所能到达的最远距离,也就是黑洞最外层的边界),首先人们应找到一个足够大的旋转中的黑洞。(与普遍的看法相反,事实上,穿越大一些的黑洞要更为安全。)然后,未来的宇航员就有望在穿越黑洞的过程中毫发无损,安全到达另一边,但他们将再不能与黑洞那边的朋友们联系,不能告知对方自己已经成功的消息,每一次行程都会成为一种信心的飞跃。 还有个方法就是创造一个新宇宙等着我们。据Alan Guth所言,一个初形成的宇宙需要1089颗光子、1089颗正电子、1089颗中微子、1089颗反中微子、1079颗质子以及1079颗中子才能开始运作。这看似非常多,但合起来也不过就几盎司的物质而已。 这样,未来人们就可以造出来一个伪真空——有膨胀可能的太空——通过一个超强引力场而运作。因为宇宙的初始充气会在顷刻间完成,新的宇宙将会即刻膨胀,为人类创造一个新的居住地。而在遥远的未来,人类定会掌握制造这样一种伪真空的技术,并随之创造出自己的新宇宙。

1. 随机的量子遂穿将重新来过

1 但是我们所遗留下的那个宇宙会如何呢?很长一段时间过后,它将最终达到最大熵值,变得彻底无法居住。然而,即便是这个已无生机的宇宙,也存在生命重现的可能。量子力学的研究者了解到量子效应,又称量子遂穿(quantum tunneling),它是一种能量状态。而这种有违经典力学的能态只有亚原子粒子能够达到。 比如经典力学中,一个球是不能自己滚上山的,这种能量状态是不可达到的。而经典力学中,亚原子粒子也同样不可能达到这一能态。但量子力学将其完全推翻了,有时候,粒子可以不受能量状态的限制。 这个过程已在恒星中出现。但若是在宇宙终结时将其加以利用,就会发生一些奇怪的事。经典力学中,粒子不能从高熵过渡到低熵状态,但因为有了量子遂穿,粒子不仅可以而且将会产生这种变化。心理学家Sean Carroll及Jennifer Chen曾提出,如果时间充足,量子遂穿会自发地降低已死宇宙中的熵值,引发一场新的宇宙大爆炸,以重新创造宇宙。千万不要屏息等待,因为熵值自发降低的情况需耗时10101056年才会出现。 另外有个数学理论,可能会给我们一些新宇宙的希望。1890年,亨利•庞加莱(Henri Poincare)(法国数学家、天体力学家、数学物理学家、科学哲学家)提出了一个周期定理,认为力学体系经过足够长的时间后可以回复到初始状态附近。这一定理同样适用于热力学。随机高熵宇宙中的热波动会使宇宙回复至其初始状态,进而一切重新开始。数世纪过后,我们的宇宙能够自我重组,并且我们无法证明未来其中的生命就是源自我们已知的现有宇宙。

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