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物理学家保罗·戴维斯:这就是世界末日

物理学家保罗·戴维斯:这就是世界末日
2022-02-12 18:13:09 来源:人民号 人民日报

虎年读书,如虎添翼。大年初二到初十,湛庐君向你郑重介绍湛庐“科学大师”书系,十本跨领域著作,直接让你站上大师的肩膀看世界。今天咱们一起翻开这本保罗·戴维斯所著的《 宇宙的最后三分钟》。

保罗·戴维斯,澳大利亚阿德莱德大学物理学教授,世界知名物理学家,同时也是一位能用简洁生动的语言解释深奥科学概念的大师。

他的研究内容包括黑洞、量子场论、宇宙的起源、意识的本质和生命的起源等。在《宇宙的最后三分钟》里,戴维斯将带领我们探索“宇宙如何走向终结”的问题:宇宙会走向结束吗?那时的人类又将如何,能够幸免于难、永远存在吗?

1

我们希望,宇宙超人类或超级计算机至少能在可用的时间内对自身的存在有足够的了解,并接受自己必然走向灭亡的命运

在1000亿年以后的很长一段时间内,天文学家都不会注意到宇宙在坍缩。他们首先会注意到,平均而言,相对较近的星系在不断地接近而不是后退,但来自遥远星系的光谱似乎仍然是红移的。只有经过数百亿年,系统性的涌入才会变得明显。

此时更容易识别的是宇宙微波背景辐射温度的细微变化。我们应当记得,宇宙微波背景辐射是大爆炸遗留下来的,目前的温度大约比绝对零度高3开尔文。随着宇宙不断膨胀,该温度会下降。

在1000亿年以后,它将下降到1开尔文左右。温度将在膨胀的最高点降至最低,一旦坍缩开始,温度会再次回升,当宇宙坍缩到今天的密度时,温度将会回到3开尔文,这又要花1000亿年——宇宙的兴衰在时间上大致是对称的。

宇宙不是在一夜之间坍缩的。在数百亿年的时间里,即使处于收缩阶段,我们的后代也能好好地生活。如果转折点发生在更长的时间之后,比如,一万亿年后,情况就没有这么乐观了。

这种情况下,在膨胀到达最高点之前,所有的恒星将被烧尽,任何幸存的地球居民都将面临在永恒膨胀的宇宙中所遇到的相同问题。

无论转折何时发生,如果从现在开始以年为单位衡量,在同样的年数之后,宇宙将恢复到现在的大小。不过它的外观会非常不同。即使转折真的发生在1000亿年之后,同现在相比,那时将有更多黑洞,更少恒星,可供居住的行星将弥足珍贵。

当宇宙坍缩到目前的大小时,它将会以更快的速度坍缩,在大约35亿年后,宇宙的尺度将减半,并且加速偏小。在此100亿年后,宇宙微波背景辐射温度的上升将成为一个严重的威胁,真正紧张的时刻才会真正到来。

当温度上升到约300开尔文时,像地球这样的行星会很难将热量释放出去。它会变得越来越热,而且无可挽回。任何冰冠或冰川都会融化,海洋开始蒸发。

2

在最后的时刻,引力变成了主导力量,无情地粉碎了物质和空间。时空曲率不断增大。越来越大的空间区域被压缩到越来越小的体积之内。

4000万年后,宇宙微波背景辐射的温度将达到今天地球的平均温度。那时像地球一样的行星是完全不适合居住的。当太阳膨胀成一个红巨星时,地球也会面临这样的命运。

我们的后代将没有别的地方可去。宇宙微波背景辐射充满了整个宇宙,整个空间的温度都在300开尔文,并且还将不断上升。

无论是那些已经适应了这种炎热环境的科学家,还是创造了一种制冷生态系统来拖延被“煮熟”的威胁的科学家,都会注意到,宇宙正在极速坍缩,每几百万年就会缩小一半。

任何仍然存在的星系都将无法被识别,因为它们合而为一了。然而,宇宙空间还是很大的,个别恒星之间发生碰撞的可能性仍然很小。

当宇宙接近最后阶段时,所处的状态将越来越类似于大爆炸后不久就出现的情况。天文学家马丁·里斯(Martin Rees)对坍缩的宇宙进行了研究。通过应用一般的物理原理,他建立了宇宙最终坍缩阶段的图像。最终,宇宙微波背景辐射会变得非常强烈,以至于夜空会出现暗红色的辉光。

宇宙将会慢慢地变成一个无所不包的宇宙熔炉,炙烤着所有脆弱的生命形式,无论它们藏身何处,都难逃此命运,而此时行星的大气层早已被剥离得干干净净。渐渐地,红光会变成黄色,然后变成白色,直到充满宇宙的强烈热辐射威胁到恒星本身的存在。由于无法辐射出能量,恒星会在内部聚集热量并发生爆炸。

此时的宇宙空间充满了炽热的气体等离子体,它们一直在猛烈地燃烧,变得越来越热。

随着变化的步伐加快,情况变得更加极端。宇宙开始发生明显变化的时间只需要10万年,然后是1000年,再然后是100年,朝着灾难加速前进,温度随之上升到数百万开尔文,数十亿开尔文,而占据宇宙广袤空间的物质将被无限压缩,一个星系的质量所占据的空间直径只有几个光年——宇宙的最后三分钟来临了。

宇宙的温度最终变得极其高,原子核也解体了,物质被剥离成了一锅均匀的基本粒子汤。宇宙大爆炸和摧毁一代又一代恒星所创造的重元素的时间,比你我阅读这一页书所花费的时间都要短。

持续了数万亿年的稳定的原子核结构,此时会被彻底摧毁。除了黑洞之外,其他所有的结构早已不复存在。宇宙此时显现出一种优雅但险恶的相似性,但时间非常短暂,只有几秒钟而已。

随着坍缩的速度越来越快,温度也随之上升,而且上升的速度越来越快。物质被强烈地压缩,以至于单个质子和中子不复存在,只剩夸克汤。

坍缩会继续加速,此时将是宇宙终极灾难来临前的几微秒。黑洞开始相互融合,其内部情况与宇宙本身的总体坍缩状态几乎没有区别。它们现在只是提前到达末日的一些时空区域,并且正在与宇宙的其他部分连接在一起。

在最后的时刻,引力变成了主导力量,无情地粉碎了物质和空间。时空曲率不断增大。越来越大的空间区域被压缩到越来越小的体积之内。

根据传统理论,内爆将在奇点处变得异常强大,将粉碎一切物质,包括空间和时间本身。

这就是世界末日。

以上内容节选自《宇宙的最后三分钟》


标签: 宇宙起源 世界末日 宇宙温度

(责任编辑:newscj)

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