深度长文:我们的宇宙演化可分为五个纪元,最终将会走向何处?

发布者:青灯问童子 2023-5-15 22:41

关于宇宙的最终结局有很多假说,比如被不断增强的暗能量撕成亚原子碎片的大撕裂,熵增到最高陷入热寂的大冰冻,还有重新收缩到奇点的大反弹。哪一种假说会最后成为现实,现在还不得而知。然而,即使这些假说都没有最终实现,宇宙也将在漫长的岁月中,慢慢陷入无边的黑暗和死寂。

天体物理学家弗莱德·亚当斯和格里高利·拉夫林在《宇宙的五个年代》(The Five Ages of The Universe)中,把宇宙的生命分为五个纪元。我们可以沿用这五个纪元的划分,来看看宇宙的最终结局。

1. 原初纪元(Primordial Era)

原初纪元的范围是从宇宙大爆炸到4亿年后,第一颗恒星诞生。这个纪元已经过去了。

2. 恒星纪元(Stelliferous Era)

恒星主宰宇宙,繁星布满夜空。生活在这个时代,无疑是我们的幸运。

恒星纪元什么时候结束呢?或者说,最后一颗恒星什么时候会熄灭呢?质量越小的恒星,寿命越长,因为它们在核聚变中把氢转化为氦的速度越慢。最小的红矮星可以持续1万亿年。在宇宙幼年时形成的红矮星到现在只用了1%的氢。从人类的角度来看,它们还是婴儿。


现在,星系还在搅拌着星云,用星云气体创造新的恒星。但是,气体终有耗尽的一天。据估计,数十亿年后星云气体的供给将会后继乏力,新生的恒星越来越少,而已经诞生的恒星会用尽燃料,一个接着一个逐一熄灭。在这以后,诸如星系碰撞之类的事件会创造一些新恒星,延长恒星创生的年代。但是,和红矮星万亿年的寿命相比,延长500亿年甚至1000亿年都没有太大的区别。

当大量恒星熄灭的时候,星系将改变颜色。现在,多数星系都表现出耀眼的蓝白色,体积庞大的明亮恒星是星系内的主要光源。当这些恒星死去,质量较低的暗恒星成为主角,星系的颜色也会随之变暗变红。


星云气体耗尽后几十亿年,星系中只有长命的红矮星还在发光。这种情况将持续1万亿年,也许更长。可能质量最低的红矮星能持续10万亿年,但是在这里10倍并不是一个太重要的数字。在宇宙悠长的生命历程中,它们只是一些统计上的小小起伏。

3. 简并纪元

当最后一颗恒星熄灭,宇宙中释放能量的就只有恒星的遗骸:白矮星,中子星和黑洞。另外,还有一些棕矮星,它们的质量在恒星和行星之间。除了黑洞,白矮星和中子星都是由各种简并压力支撑,也就是说,在几万亿年以后,恒星纪元将会结束。简并纪元来临了。


宇宙将会变得十分黑暗,至少对人类的眼睛是如此,如果那时候还有人类的话。如果我们可以看到红外线,宇宙会明亮一些。这些天体还是比较温暖的,所以会有多多少少的红外辐射。中子星和白矮星诞生时非常热,然后慢慢冷却。冷却的速度和它们的大小有关,但是在几万亿年后,它们应该都会降到室温。所以,在简并纪元里,随着时间的流逝,宇宙慢慢变冷。

但是,这个纪元中也会有昙花一现的光明。在孤寂的宇宙中联袂起舞的白矮双星最终会走到一起。经过数万亿年,白矮双星的轨道将会由于引力波能量辐射而衰减,双星在合并的刹那爆发出夺目的光彩,成为超新星。同样,中子双星也会合并,爆发,形成伽马射线暴,它们的亮度将超过1000个星系。但是,这只是短暂的事件,宇宙很快回归黑暗。


有趣的是,棕矮星是更好的能量来源。棕矮双星会合并形成低质量的恒星,然后在几百亿年中为黑暗的宇宙带来一点光明。

但是,在时间面前,没有任何东西可以保持到永恒。不但对于宇宙和恒星是如此,对于微观世界中的质子也是如此。质子的半衰期是10^34年,也许更长。当质子开始衰变,物质将会分解,白矮星,中子星,棕矮星,行星,都会消融在空间中。不过,值得欣慰的是,这个过程有一个亮点。白矮星分解的时候会释放能量,功率可达400瓦(微波炉功率的一小半)。

注:白矮星此时应该已经完全冷却,成为黑矮星了

4. 黑洞纪元

在10^40年以后,最后一颗简并天体也消失了,宇宙中只剩下了黑洞这一种天体。

宇宙进入了黑洞纪元。

在我们的印象中,黑洞是吞噬一切的无底洞。然而,黑洞可以通过一种方式产生能量 ——蒸发。20世纪70年代,史蒂芬 霍金用量子力学研究黑洞,发现黑洞确实会向外辐射能量,从而损失质量。越大的黑洞损失质量越慢。一个3倍太阳质量的黑洞(通过超新星诞生的最小黑洞),完全蒸发需要10^68年。这是一个长得近乎荒谬的时间,但是宇宙可以等待。而星系中心的黑洞要完全蒸发,需要10^92年。1后面92个0,就是下面这个数字。


这个数字如此之大,我们甚至无法找到一个东西来进行类比,因为它甚至大于已知宇宙中的基本粒子的个数(10^85)。

当黑洞质量变小,它的蒸发速度就会加快。最后,黑洞会在一道闪光之后消失得无影无踪。这是黑洞纪元唯一的光。

5. 黑暗纪元

最后,一切都消失了。宇宙中只剩下了能量极低的亚原子粒子和光子。这是10^92到10^93年以后。这时,我们可以有把握地说,宇宙已经死了。

宇宙进入了黑暗纪元。如果时间还有意义的话,这个纪元将会延续到无穷。

6. 其他可能的结局

如果暗能量按照现在推测的那样持续增强,宇宙将走向另一个结局:大撕裂。在这个结局中,没有任何力量可以对抗空间膨胀,所有的物质都会瓦解,连原子都会被撕成碎片。大撕裂将会在黑暗纪元以前发生,但是这个结局并不比黑暗纪元更加光明。

最后,我们还有一个非常微小的希望可以得到一个光明的新宇宙。量子物理中有一个猜想,也许我们的真空并不是一个最低能量状态。就像你站在一个台阶上,而你下面还有一级台阶。


当宇宙在黑暗纪元中沉睡无数年以后,也许一小片空间因为不管什么原因,跌落到下一个能级——真正的真空。它会带动周围的空间纷纷跌落。这时,奇怪的事情发生了,在这些跌落的空间中,物理定律将被重写,时间和空间将被抹去。这个区域迅速扩展,留下的地方是一个新的宇宙。也许这也是我们的宇宙的来源。

这个猜想给了我们一个新宇宙的希望。这个希望虽然渺茫,但是有一丝希望,也好过在黑暗和寒冷中沉睡到无穷。

大家都在看

  • 地外文明探索:开启宇宙奥秘之门

    地外文明探索:开启宇宙奥秘之门 一、地外文明探索的历史与现状人类对地球之外智慧生命的思考与探索有着悠久的历史。在古代神话传说中,就充满了对神秘天外世界和可能存在的其他生命的想象。随着科学的发展,从哥白尼的《天体运行论》开始,人们逐渐 ... 宇宙探索11-15

  • 天体力学:探索宇宙的奥秘之匙

    天体力学:探索宇宙的奥秘之匙 一、天体力学的定义与范畴天体力学作为天文学和力学的交叉学科,在科学研究中占据着重要地位。它以力学规律为主要工具,深入探索天体的运动轨迹和形状变化。天体力学所涉及的天体范围广泛,不仅包括太阳系内的天体, ... 宇宙探索11-15

  • 宇宙探索:科学家发现的 10 种奇怪现象!

    宇宙探索:科学家发现的 10 种奇怪现象! 在浩瀚无垠的宇宙中,充满了无尽的奥秘。科学家们在探索宇宙的征程中,遇到了许多令人匪夷所思的事情,以下是其中 10 种奇怪现象。快速射电暴2007 年首次被发现的快速射电暴,是一种神秘的射电信号。它持续时间极短 ... 宇宙探索11-15

  • 天文馆新纪元:专家共绘未来蓝图,你准备好探索宇宙了吗?

    天文馆新纪元:专家共绘未来蓝图,你准备好探索宇宙了吗? 在这个科技日新月异的时代,天文馆作为连接人类与浩瀚宇宙的桥梁,正在经历一场前所未有的变革。11月13日至16日,一场聚焦“天文馆的未来——新时代天文馆发展”的国际研讨会在上海天文馆盛大举行,国内外顶尖专家齐 ... 宇宙探索11-15

  • 人工智能在宇宙探索中的关键角色:开启太空新时代

    人工智能在宇宙探索中的关键角色:开启太空新时代 当我们仰望星空,对那无尽的宇宙充满好奇与渴望时,人工智能正逐渐成为我们探索宇宙的强大助力,开启了太空探索的新时代。人工智能在数据分析方面展现出了无与伦比的能力。宇宙探索产生了海量的数据,从遥远星系的光 ... 宇宙探索11-15

  • 探索宇宙的重大突破:成功发射盐度探测卫星!🚀🌍

    探索宇宙的重大突破:成功发射盐度探测卫星!🚀🌍 我国成功发射盐度探测卫星,海洋探索的新里程碑。1. 近日,我国在航天领域再次取得重大突破,成功发射盐度探测卫星。这一壮举无疑在我国航天史与海洋研究领域都写下了浓墨重彩的一笔。2. 这颗盐度探测卫星肩负着重要 ... 宇宙探索11-14

  • 太空条约:人类探索宇宙的里程碑🚀🌌

    太空条约:人类探索宇宙的里程碑🚀🌌 太空条约意义重大。1. 1967 年的《太空条约》意义重大,107 国参与禁止太空部署大规模杀伤性武器,其背后的原因复杂,挑战也多,值得深入了解。在 20 世纪中叶,世界局势复杂多变,科技发展迅猛,人类对太空的探索也 ... 宇宙探索11-14

  • 你有没有想过,在浩瀚的宇宙深处到底隐藏着多少我们不知道的秘密

    你有没有想过,在浩瀚的宇宙深处到底隐藏着多少我们不知道的秘密 你有没有想过,在浩瀚的宇宙深处到底隐藏着多少我们不知道的秘密?宇宙是怎么诞生的?有没有其他适合人类居住的星球?这些问题一直困扰着我们人类。而詹姆斯·韦伯太空望远镜,就像是一把开启宇宙奥秘之门的神奇钥匙 ... 宇宙探索11-13

  • 地下700米的“玻璃球”,探索宇宙之初 #中微子

    地下700米的“玻璃球”,探索宇宙之初 #中微子 中微子是鬼吗?为什么被称为幽灵粒子?1. 最近我国地下 700 米的江门中微子实验室很火,今天戴老师就来讲讲中微子究竟是什么。2. 中微子并不是大家戏称的阿飘,它和电子、光子一样都是宇宙粒子的一种,只不过它非常 ... 宇宙探索11-13

  • 探索宇宙的奇迹:揭开天文学和天体物理学的面纱

    探索宇宙的奇迹:揭开天文学和天体物理学的面纱 人类一直对宇宙着迷。夜空中我们视为星星和行星的闪烁光点数千年来一直是奇迹、神话和科学探索的主题。天文学,即对天体的研究,以及天体物理学,即将物理学应用于理解宇宙现象,是我们用来探索和理解我们所处的宇宙 ... 宇宙探索11-13