第18章 世界末日

有人说世界在烈火中终结，

有人说世界在寒冰中终结。

——罗伯特·佛罗斯特

如果没有关于世界如何终结的描述，那我关于宇宙状态的解释就是不完整的。暴胀理论告诉我们，整个宇宙将永远存在，但是我们本区域，即可观测宇宙，很可能会终结。20世纪的很长一段时间内，这个问题一直是宇宙学研究的中心，在这一过程中，我们关于世界末日的构想经历了数次变更。现在我将回顾一下这个课题近来的历史，并告诉你们最新的宇宙末世论。

残酷的选择

在20世纪30年代早期，爱因斯坦公开抨击宇宙学常数的概念之后，弗里德曼的均匀各向同性模型给出了清晰又简洁的预测：如果宇宙密度大于临界密度，那么宇宙将发生大挤压，否则将永远膨胀下去。为了确定宇宙的命运，我们必须精确测量物质的平均密度，看看它是否大于临界密度。如果大于临界密度，那么宇宙膨胀将逐渐放缓，随后开始收缩。收缩起初缓慢，然后将加速，星系将逐渐靠近，直至合并成一个巨大的恒星集团。天空会变得越来越亮，但亮度不是来自恒星，那时候它们很可能已经全部死亡了。天空变亮的真实原因是宇宙背景辐射强度的增加，这种辐射会将恒星和行星的残留物加热至一个令人不安的温度，任何侥幸存活至此刻的生物都将像沸水中的龙虾一样丧命。

恒星最终将在相互碰撞中瓦解，或者被强烈的辐射热所蒸发。由此导致的炽热火球与早期宇宙中的火球类似，不同的是现在宇宙在收缩，而不是膨胀。另一个与大爆炸的差别在于，收缩时的火球相当不均匀，密度更高的区域会率先收缩形成黑洞，然后合并成为更大的黑洞，直至在大挤压中全部合并在一处。

与此相对，在密度小于临界密度的情况下，物质的引力太弱，不足以扭转膨胀的局势，宇宙将永远膨胀下去。在不到一万亿年的时间内，所有的恒星都将燃尽其核燃料，星系将变成一群一群的冷却的恒星遗迹，比如白矮星、中子星和黑洞。宇宙将变得完全黑暗，幽灵般的星系将四散飞向膨胀的空间。

这种状态至少要持续1031年，但是构成恒星遗迹的核子最终将衰变，成为正电子、电子、中微子这样更轻的粒子。电子和正电子互相湮灭放出光子，而死去的恒星开始慢慢分解。甚至黑洞也不会永远存在：霍金的着名观点就是黑洞会泄漏辐射的量子，这意味着黑洞将逐渐失去它所有的质量，或者，按照物理学家们的说法，黑洞将“蒸发”。不管怎样，在不到10100年的时间内，宇宙中所有我们熟知的结构都将消失，恒星、星系、星系团都将消失得无影无踪，只留下日益稀薄的中微子和辐射的混合体。宇宙的命运包含在一个被称为Ω的参数中，它被定义为宇宙平均密度除以临界密度。如果Ω大于1，即平均密度大于临界密度，宇宙将在大火球和大挤压中终结；而如果Ω小于1，平均密度小于临界密度，我们的宇宙将会日益冷却、逐渐解体。在Ω等于1的临界情况下，膨胀越来越慢，但是永远不会完全停止，宇宙勉强逃脱了大挤压的命运，却会变成一个冰封的墓地。

半个多世纪以来，天文学家们努力尝试测量Ω的数值，然而大自然并不愿意透露自己的长期计划。Ω非常接近1，但是目前测量的精确度还不足以判断它到底是大于1还是小于1。

暴胀的转折

20世纪80年代末，随着暴胀这一概念的出现，我们关于世界末日的看法也发生了变化。在此之前，从理论上看，大挤压的可能性和无限膨胀的可能性平分秋色，但是现在，暴胀理论做出了非常明确的预测。

在暴胀期间，宇宙的密度非常接近于临界密度。由于标量场不同位置的量子涨落幅度不同，某些区域的密度会高于临界值，而另外一些区域的则会低于临界值，但是平均下来几乎完全等于临界密度。因此，那些担忧宇宙会在数万亿年内坍缩并造成大挤压的人现在可以放心了，宇宙的结局会来得非常缓慢而枯燥无聊，太阳的冰冷残骸永远就这么四处游荡着，等待其中所有的核子衰变殆尽。

处于临界密度的宇宙的一个典型特征，就是内部结构形成的过程会变得极其缓慢，形成越大型的结构所需的时间越长。首先是星系形成，随后聚集成星系团，再之后星系团聚集成超星系团。如果我们可观测区域内的平均密度高于临界值，那么在大约100万亿年间，整个区域都将变为一个巨大的超级星系团。到那时，所有的恒星都已经死去，所有的观测者可能也已经灭绝了，但是结构形成的过程仍在继续，并扩展到越来越大的尺度上。只有当宇宙结构因核子衰变和黑洞蒸发而解体时，这一过程才会停止。

暴胀理论带来的另一个转折是，整个宇宙将永远不会终结，因为暴胀是永恒的。无数个与我们相似的区域将会在暴胀时空的其他部分形成，其中的居民也将和我们一样，努力去理解这一切是如何开始的，又会如何结束。

寂寞的银河系

弗里德曼提出了宇宙密度和其最终命运之间的关系，然而这一关系只有在真空能量密度（即宇宙学常数）等于零时才成立。在1998年之前，宇宙学常数为零是标准假设，但是当相反的证据被发现时，早期所有关于宇宙未来的预测都必须修改。其中的主要预测不会改变，即（局部的）世界将会在寒冰中终结，而不是在烈火中，但是一些相