宇宙終結之謎

宇宙終結之熱寂說

我們知道，那些所謂的世界末日往往都是一些經不起推敲的傳說和故事，沒有任何的科學依據。但是，如果把時間的尺度拉到足夠長，那么地球也遲早是要毀滅的。別的不說，單說太陽就不能一直像現在這樣燃燒下去?？茖W家們已經發現，太陽在幾十億年以后就會變成一顆紅巨星，很可能到那時候太陽的烈焰就會吞噬地球，地球上的所有水分都會被蒸發殆盡，當然也就不可能允許生命的存在。太陽最終也會因為燃料耗盡而慢慢熄滅，太陽系將回歸黑暗。從這個意義上來說，世界末日遲早會到來。不過，那也只能稱為地球或者太陽系的末日，并不是人類世界的末日，因為我們可以移民到宇宙中的其他恒星系。

不過，如果我們把時間的尺度繼續拉長，宇宙的最終命運又會是怎樣呢？宇宙是否有末日呢？關于這個問題，依然是一個宇宙未解之謎。

但是，科學家們可以根據已知的物理定律，作出一些基于科學的猜想。你知道科學猜想和胡思亂想有什么區別嗎？科學猜想是基于現有的實驗或者觀測，利用合理的假設和已知的科學定律，一步一步推導出來的結論。胡思亂想就剛好相反，不需要任何理由，僅僅只是隨便一拍腦袋就憑空冒出來的想法。但是，我并不是說胡思亂想就要不得，其實，人類離不開胡思亂想，我們每個人都有胡思亂想的自由，只要我們清楚科學猜想和胡思亂想的區別就好。

這兩節內容，就來跟你說說關于宇宙末日的幾種科學猜想?？偟膩碚f，有兩種最主要的猜想，一種叫作“熱寂說”，一種叫作“大撕裂說”。我們先從最多科學家支持的熱寂說開始講起。

在物理學中，有一個非常著名的熱力學第二定律，這個定律是這樣說的：任何孤立系統中的熵，只能增大不能減小。那到底什么是熵呢？這個問題是一個我最常被問到，但也最常會把人搞糊涂的問題。

熵，實際上表示的是一種自然界自發的發展方向，這個方向就是從有序向無序發展，用熱力學的術語來說就是從低熵值向高熵值發展。我們拿到一副新的撲克牌，牌是從小到大按順序排列的，我們洗牌的次數越多，這副牌就會變得越來越無序，在這個系統中，熵就是在慢慢地變大。一個打碎的玻璃杯，不可能自發地還原。你在沙漠中堆起一座沙堡，風很快就會讓沙堡消失，重新回歸無序，再厲害的風也永遠不可能把沙子吹成一座規則的沙堡形態。

聽完我的這三個比喻，或許你感覺自己理解了什么是熵，但我想告訴你，用有序和無序來理解熵，依然還是一種比喻，這樣的理解依然是模糊的，在遇到一些其他例子時，還是容易產生誤解。

例如，假設我們有兩個盒子，每個盒子中都有4塊積木塊，其中一個盒子中的積木塊大致均勻地分布在盒子中；而另一個盒子中的積木塊則是一邊多一邊少。

現在我問你，這兩個盒子的熵值，哪個更大呢？這時候，你如果再用有序和無序去考慮問題的話，可能就會有點兒犯糊涂了，到底是盒子1更有序呢，還是盒子2更有序？或許，大多數人會認為盒子1更加有序，因為看起來更加整齊。但是，答案恰恰相反，從熵的角度看過去，盒子1的熵值更大，也就是更加無序。而盒子2的熵值更低，更加有序。這是為什么呢？

今天，我要教給你理解熵值更加準確的方法，就是考慮哪種狀態的可能性更高。我們來分析一下，假如我們把這個盒子中的空間一分為二，給積木編號為1、2、3、4。那么，盒子1我們可以認為是四塊積木剛好一邊各2塊，而盒子2則是左邊有1塊積木，右邊有3塊積木。

請你開動腦筋，想一下盒子1的這種分布方式的可能性總共有多少種，答案是6種可能性。相當于從4塊積木中任意選出2塊放到左邊的空間。那盒子2的分布方式有多少種可能性呢？答案是4種可能性，相當于從4塊積木中任意取出1塊放到左邊的空間。

好了，如果你理解了，那么請你記住，熵值不斷增大的真正含義是自然界會自發地朝著分布可能性更高的方向發展。你可能到現在還沒有想明白，那么我們來做一個思想實驗。假設現在這是一個密封的長條狀的盒子，盒子有一定的深度，這樣積木塊可以在里面自由地運動，不會堵塞。

好了，我們把盒子拿起來，使勁地搖一搖，然后把盒子放平穩，你覺得出現盒子1的情況的可能性更大呢，還是出現盒子2的情況的可能性更大？這次應該不難理解了吧，顯然，積木塊大致平均分布在盒子中的可能性是更大的。

或許有些人還會想，為什么熵值會必然增加呢？在這個思想實驗中，完全有可能搖出盒子2的情況嘛。的確，在這個例子中，因為盒子1的可能性比盒子2的可能性大得不是很多，所以，只要我們搖的次數足夠多，總還是會觀察到盒子2的情況的。但是，如果我們把積木塊的數量增加到1000個，那么盒子1的可能性就要比盒子2——也就是999個積木塊都集中在右邊——的可能性大得多，大到一個不可思議的程度，大約是10的300次方倍。打個比方，假如你從宇宙誕生的那一刻開始，每一秒鐘搖一次盒子，一直搖到今天，也遠遠搖不出一次盒子2的情況。

好了，有了熵增的基本概念后，我們就要回到主題了。在宇宙學家的眼中，我們的宇宙就好像是這個盒子，而宇宙中的所有物質都是由原子組成的，這些原子就好像是盒子中的積木塊。那么，宇宙中所有原子也一定會自發地朝著無序發展，整個宇宙的熵最大，也就是最無序的狀態是什么呢？就是宇宙中的所有原子都均勻地分布在整個宇宙空間中，到了這時候，宇宙熵就達到了最大，我們的宇宙再也不可能產生什么變化了，宇宙的末日也就到了。

因為這個末日是由熱力學第二定律推導出來的，所以，就被稱為宇宙的熱寂說。并不是宇宙最后會熱死的意思，其實到了熱寂那一天，宇宙的溫度也降到了最低。

不過，科學家們對于熱寂的整個過程到底會是怎樣、會在多久之后發生，卻沒有一致的答案，甚至產生了比較大的分歧。關鍵的問題在于質子到底會不會衰變。這又是一個宇宙未解之謎。

那么，質子衰變是怎么回事呢？在自然界中，有一種叫作天然放射性的現象，這種放射性是怎么產生的呢？原因就是一些原子量較大的原子突然變成了原子量較小的原子，例如常見的，用來制造原子彈的鈾原子，就會突然變成鉛原子，這被稱作衰變，衰就是表示原子量或者能量衰減了。

不過，原子的衰變不是質子衰變。大家知道原子核是由質子和中子構成的，那么，有一些物理學家就開始思考一個問題：構成原子核的質子會不會衰變呢？

正方物理學家認為，質子會衰變，因為用質子衰變可以解釋宇宙學中的一個難題，這個難題就是：為什么在我們的宇宙中物質比反物質要多得多。

但是，反方物理學家卻不這么認為，他們認為質子不會衰變，理由更簡單，因為我們從來沒有在實驗室中觀察到過質子的衰變，要解釋那個反物質的難題可以從其他角度去考慮，但是請不要隨意假設沒有實驗證據的質子衰變。

正方說，實驗觀察不到是因為質子的平均衰變周期太長了，根據他們的計算，質子最少也需要100萬億億億年才有可能衰變。

這里我需要解釋一下，這個時間表示的是一種衰變概率，它的意思也可以等價于，如果我們同時觀察100萬億億億個質子，那么平均每年就會有一個質子發生衰變。

檢驗科學理論的正確與否，唯一的方式就是實驗證據。為此，美國和日本都建造了巨大無比的實驗項目，其中最出名的就是日本的超級神岡探測器，科學家們在一個盛滿了5萬噸純水的大水池中除了探測中微子外，也在仔細地捕捉質子衰變的信號。

那么，實驗的結果到底是什么呢？質子是否衰變與宇宙終結之謎又是什么樣的關系呢？我下節給你揭曉答案。

如果大家想見識一下超級神岡探測器的壯觀景象，可以到“科學有故事”的微信公眾號中回復關鍵詞“SK”來觀看一段紀錄片中的節選。神岡探測器真的猶如進入科幻世界，令人迷醉，不看一眼的話，太可惜了。

宇宙終結之大撕裂說

上節我們說到，質子是否會衰變這個問題事關宇宙熱寂的方式。全世界有很多大型的實驗裝置都在試圖尋找質子衰變的證據，然而，到目前為止，全世界沒有任何一個實驗室宣稱找到了質子衰變的證據。不過，這還不能證明質子就一定不會衰變，很可能只是因為我們觀察的時間還不夠長，觀察的對象還不夠多，畢竟，質子衰變的概率實在太低太低了。

不過，不論質子是否衰變，宇宙從現在開始都要經歷一個漫長的退化時代。在這個階段中，雖然質子是穩定的，不會發生衰變。但是，宇宙中的恒星都會慢慢地燃燒殆盡，星系和恒星的形成逐漸減緩并完全停止。越大越亮的恒星燃燒得越快，太陽在銀河系中算是一顆中等大小的明亮恒星，大約再過50億年就會全部燒完。而像比鄰星這樣的紅矮星，體積小，溫度低，比太陽可以燃燒的時間要長得多，但總有一天，也是要耗盡燃料，直至枯竭的。

這個過程是不可逆的，因為宇宙中的總熵必須一直增大。盡管宇宙中的總能量是守恒的，但是在熱力學第二定律的支配下，能量會趨向于均勻分布在宇宙空間中。恒星燃燒其實就是把能量以輻射的形式散布在宇宙中。

有些人可能聽說過生命的本質是負熵，這就好像人可以通過打掃屋子把屋子從無序轉變成有序。那么，有沒有可能在生命的參與下，減少宇宙的總熵呢？很遺憾，這是不行的。其實，生命不但不能減少一個孤立系統中的熵值，反而只會加速熵的增加。

就以打掃屋子為例，雖然屋子的熵值變低了，但是從地球這個大環境來看，你打掃屋子的行為必定要消耗能量，從總體來看，你只會消耗更多的電力和體能，而不論是燒煤發電還是消化食物產生體能，都是在破壞某種有序結構。所以，生命的出現，其實是讓大自然更高效率地消耗能量，我們每一個人其實都是加速宇宙走向熱寂的幫兇。

隨著時間的推進，質子是否會衰變就決定了宇宙走向熱寂的不同方式。按照現在的某些理論假設，質子的半衰期大約是1036年，也就是說，在1036年之后，大約就會有一半的質子發生了衰變。等到了大約1040年之后，宇宙中所有的質子都會衰變完畢。到這個時候，宇宙中就再也找不到會發光的物質了，只剩下黑洞和質子衰變后產生的輕子。

宇宙也從退化時代進入了黑洞時代，這個時代要遠遠長于充滿恒星的宇宙時代，百花盛開的宇宙只不過占到了黑洞時代的約0.0000…（60個0）1，這是一個小到了簡直無法打比方的數字。但黑洞也不是永恒的，它依然無法逃脫熱力學第二定律為它設定的命運，黑洞會慢慢地蒸發，最終以霍金輻射的形式將自身的質量一點點地還給宇宙。

當所有的黑洞都蒸發完畢后，宇宙就進入了真正的黑暗時代，雖然從宇宙大爆炸那一刻產生的光子依然游蕩在宇宙空間中，但是，宇宙是無比黑暗的，因為這一點點的光子與如此巨大無比的宇宙空間相比，依然是不值一提的。

但此時，宇宙離最終的完全熱平衡還差很遠很遠。大約會在101000年以后，宇宙達到了完全的熱平衡，也就是說，所有的光子和輕子在宇宙中均勻地分布，宇宙的熵達到了最大值。到了這個時候，我們才可以說，宇宙熱寂了。那么宇宙熱寂之后呢？之后是有之后還是從此再也沒有之后了呢？目前的科學就只能到這里為止了。

如果質子衰變的假設是錯誤的，質子不會發生衰變，它會一直穩定地存在下去。那么，一個可能的結果就是宇宙中所有原子量小于鐵的物質都會最終發生核聚變，變成鐵原子。而所有原子量大于鐵的原子都會最終衰變為鐵原子。因為根據量子理論，鐵的結合能是最小的，熵值是最大的。這個過程大約要經過101500年才能最終完成。這也是宇宙的熱寂，因為最終的目標依然是熵值最大。此時的宇宙，鐵原子均勻分布在宇宙的所有空間中。冰冷的熱力學第二定律依然死死地統治了整個宇宙。

關于宇宙熱寂的假說一度統治著宇宙學，不同的宇宙學家只是在熱寂的年代和方式上會產生分歧。不管怎么說，宇宙熱寂需要的時間實在太長太長了，我建議你不用試圖去想象我前面說到的那些時間跨度有多大，因為我保證，不論你有多么巨大的想象能力，也不論你把那些時間想象得有多久遠，實際上，真實的時間跨度依然要遠遠大于你的想象。

但是，令人意想不到的是，當人類進入21世紀，在宇宙學上的一個意外發現，很可能讓宇宙末日來臨的時間大大地縮短了，這種縮短程度超乎想象，就好像把現在的整個可觀宇宙一下子縮短到還沒有一個原子那么大。這個意外發現到底是什么呢？

這就是我們之前已經詳細講過的暗能量，暗能量的出現，很有可能改變宇宙的最終命運。

2003年，距離暗能量的發現已經過去了四年，美國著名的達特茅斯學院的羅伯特·考德威爾仔細地計算著暗能量對宇宙的影響到底會是怎樣。計算結果表明，如果暗能量產生的斥力與宇宙的平均能量密度的比值小于-1的話，那么很可能，暗能量的力量會無限增強下去，一直到把宇宙中所有的基本粒子都互相扯開為止。

考德威爾用了一個詞來形容這種情況，英文是Big Rip，也就是——大撕裂，非常的形象。更加令人意想不到的是，根據考德威爾的計算，這個結局會到來得非常快，他的計算結果是在220億年之后，宇宙就會被徹底撕裂了。所謂的徹底撕裂，就是每個基本粒子之間互相遠離的速度都超過了光速，任何基本粒子之間永遠也不再可能發生相互作用。

這個理論剛出來的時候，并未引起太大的反響，偶爾也會有一些科學家參與討論，但反對的聲音比較多。不過，大撕裂假說在2015年迎來了一個重量級的支持。這一年7月，在著名的《物理評論D》雜志上刊登了一篇論文，這是一本入選自然指數的期刊，在物理學界很有影響力。這篇論文的作者是美國范德比爾特大學的一組研究人員。他們建立了一個數學模型來計算宇宙加速膨脹的可能結果，該模型支持大撕裂假說。并且，這篇論文還回應了之前一些科學家對這個假說的質疑。

雖然大撕裂距今還有220億年，并不會對我們的現在產生任何影響。但每每想到這種可怕的大撕裂的結局，我還是會不寒而栗，想想吧，每一個基本粒子互相遠離的速度都大于光速，這個宇宙不可能再發生任何的變化，一切可能性都喪失了。但是，在人類沒有徹底揭開暗物質和暗能量產生的根源之前，大撕裂仍然是一個建立在流沙上的城堡，可能說毀就毀了。

熱寂假說和大撕裂假說是目前科學界有關宇宙末日最重要的兩種假說，除此之外，還有一些其他假說。例如宇宙大塌縮假說，這種假說認為宇宙在膨脹到某一個臨界值之后，就會開始收縮，宇宙將會從膨脹模式進入塌縮模式。這個假說曾經一度是主流的假說，但是隨著暗能量的發現，這種假說也就失去了市場。但它并沒有被徹底地否定，主要原因還是關于暗能量我們知道的太少了。

此外，還有一種很有趣的假說叫作大反彈，也就是說，宇宙就像一個反復被吹大又放氣的氣球，會不斷地從小到大又從大到小，循環往復。

總之，我們的宇宙到底會走向何方，會以什么樣的方式迎來末日，這些問題依然是宇宙未解之謎。但我想告訴大家，或許你今天晚上睡覺的時候，也會想出幾個宇宙終結方式的猜想，但是，在我看來，我們普通人的這些猜想都是胡思亂想，而不是科學猜想。如果你真的對宇宙末日的問題感興趣，最好的方法是從現在開始就學好數學和物理，等你能把科學家們現有的假說中那些數學公式都看懂了，再去提出自己的假說也不遲。

最后，這一節給大家準備了一個Discovery的小視頻，聽聽專業人士對宇宙終結的看法，其中還有一個觀點，想要弄懂宇宙終結，就必須先搞清大爆炸的原理，這是為什么呢？如果你有興趣，在我的微信公眾號“科學有故事”中，回復“宇宙終結”，就可以觀看了。