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宇宙面臨的毀滅性災(zāi)害(2)

 網(wǎng)絡(luò)閱讀與寫作 2015-06-10
  量子物理學(xué)原理指出,即便是“完全的”真空中也存在著能量。



幽靈暗能量將撕裂并毀滅宇宙中的一切



首先,幽靈暗能量將開始撕裂星系



隨后,恒星和行星將會(huì)被撕碎

“大轉(zhuǎn)變”與“終極生態(tài)災(zāi)難”

然而這一切都在20世紀(jì)末的一天被徹底改變了。在1998年,兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的獨(dú)立研究小組先后宣布了一項(xiàng)驚人結(jié)果:宇宙的膨脹正在加速。

這種現(xiàn)象是難以解釋的。正常的物質(zhì)和能量不可能造成這種情況的出現(xiàn)。這是人類首次接觸到一類全新的能量形式——被稱為“暗能量”(dark energy)存在的線索,其行為特征與宇宙中任何其他東西都完全不同。

暗能量正在撕裂整個(gè)宇宙??茖W(xué)家們到目前為止仍然未能理解暗能量究竟是什么東西,但他們已經(jīng)可以判定,整個(gè)宇宙中大約70%的能量屬于暗能量,并且這一數(shù)字每天都在增加。

暗能量的存在意味著宇宙的終極命運(yùn)并非由其內(nèi)部所含的“充填物”來決定。相反,暗能量控制了宇宙的前途,它讓宇宙不斷加速膨脹。面對(duì)這樣的情況,“大塌縮” 的前景已經(jīng)變得非常不可能。但這也并不意味著“大凍結(jié)”是無法避免的。這其中還存在著其他的可能性。其中的一項(xiàng)理論并非源自宇宙學(xué)研究領(lǐng)域,而是來自亞原 子粒子研究領(lǐng)域。

美國作家?guī)鞝柼亍ゑT內(nèi)古特(Kurt Vonnegut)在其經(jīng)典科幻小說《貓的搖籃》(Cat's Cradle)一書中設(shè)想了一種新的水冰形式,叫做“冰-9”(ice-nine),它的凝結(jié)溫度不是0攝氏度,而是46攝氏度。當(dāng)一顆“冰-9”晶體被丟進(jìn)一杯水里,這顆晶體周圍的水分子便立即開始轉(zhuǎn)變?yōu)榕c“冰-9”相同的結(jié)構(gòu),因?yàn)榍罢叩慕Y(jié)構(gòu)擁有更低的能級(jí)。

隨后這些新形成的“冰-9”分子又開始對(duì)其周圍的其他水分子產(chǎn)生同樣的作用——在一瞬間,失控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)已經(jīng)將整杯水全部變?yōu)椤氨?9”成分——它也可以瞬間將整個(gè)地球上所有海洋中的水體全部變成“冰-9”。

同樣的情況在現(xiàn)實(shí)中使用正常的冰和正常的水也會(huì)發(fā)生。如果你使用非常純凈的水,將其倒入一只非常干凈的玻璃杯中,然后將其降溫到剛好低于零度的水平。此時(shí)杯 中的水體將處于過冷卻狀態(tài):盡管水溫已經(jīng)跌破凝結(jié)溫度,但水體依舊保持液態(tài)。這是由于水體非常純凈,杯子內(nèi)壁也非常光滑,完全沒有瑕疵,冰無法找到開始凝 結(jié)的地點(diǎn)。但如果此時(shí)你將一顆小冰粒扔進(jìn)杯子里,這杯水就將迅速凝固——就像“冰-9”產(chǎn)生的效應(yīng)那樣。

這里討論的“冰-9”和過冷卻水當(dāng)然不會(huì)對(duì)宇宙的命運(yùn)產(chǎn)生什么影響。但空間之中可能會(huì)上演相似的情形。

量子物理學(xué)原理指出,即便在完全的真空之中實(shí)際上也存在非常少量的能量。但可能還存在另外一種類型的真空,其所包含的能量更低。如果這一想法正確,那么我們的整個(gè)宇宙就像是那一杯處于過冷卻狀態(tài)的水。它一直存在著,直到有一顆能級(jí)更低的“小冰晶”出現(xiàn)。

幸運(yùn)的是,我們目前還尚未觀測(cè)到這類“小冰晶”存在的跡象。但同時(shí)不幸的是,量子物理學(xué)同時(shí)也指出,如果一種更低能級(jí)的真空狀態(tài)是可能的,那么這種真空將無法避免的在某個(gè)時(shí)刻,于宇宙的某處出現(xiàn)。

如果發(fā)生了這種情況,就像一顆“冰-9” 被丟進(jìn)了宇宙這杯水里——新的,能級(jí)更低的真空將會(huì)把其周圍“舊的真空”轉(zhuǎn)變?yōu)榕c它一樣的“新的真空”。這顆“小冰晶”造成的影響將以接近光速的速度擴(kuò)散 開來,因此我們將永遠(yuǎn)無法預(yù)見到它的到來(有沒有讓你想到大劉《三體》里的二維化?)。一旦轉(zhuǎn)變完成,一切都將變得極為不同。

一些基本粒子,如電子與夸克的性質(zhì)將變得完全不同,從而徹底改寫化學(xué)定律,甚至可能導(dǎo)致原子無法形成。在這一“大轉(zhuǎn)變”中,人類,行星,甚至是恒星本身都將被徹底摧毀。在一篇發(fā)表于1980年的論文中,物理學(xué)家悉尼·科爾曼(Sidney Coleman)和弗蘭克·盧西亞(Frank de Luccia)將這一前景稱為“終極生態(tài)災(zāi)難”(the ultimate ecological catastrophe)。

更為雪上加霜的是,在“大轉(zhuǎn)變”之后,暗能量的表現(xiàn)形式可能將變得有所不同。與此前導(dǎo)致宇宙不斷加速膨脹不同,此時(shí)的暗能量可能將轉(zhuǎn)而導(dǎo)致宇宙不斷收縮,并最終迎來“大塌縮”。



我們能夠逃離這樣的命運(yùn)嗎?


目前的理論認(rèn)為,新生的宇宙曾經(jīng)經(jīng)歷過極其迅速的膨脹,即所謂的“暴漲”理論



大爆炸:宇宙的開端




  暴漲理論認(rèn)為我們所處的宇宙僅僅是所謂“多重宇宙”中的一個(gè),并且存在著一個(gè)永恒膨脹的“背景”,它在不斷制造出像我們所處的宇宙這樣的新的“宇宙氣泡”。

“大撕裂”與“幽靈暗能量”

另外還有第四可能的情形,在這種情形中暗能量仍然居于中心位置。不過這一理論給出的前景是高度揣測(cè)性的,因而可能性非常低,但即便如此仍然不能予以完全的排除。該理論的中心思想是:暗能量很有可能比我們目前所想象的更加強(qiáng)大,它甚至可以憑借一己之力直接造成宇宙的終結(jié),而根本不需要經(jīng)過什么“大轉(zhuǎn)變”、“大凍結(jié)”或是“大塌縮”。

暗能量具有一種非常奇特的性質(zhì)。隨著宇宙膨脹,它的密度不會(huì)發(fā)生變化。這就意味著隨著時(shí)間推移,宇宙中正在產(chǎn)生越來越多的暗能量,從而能夠跟上宇宙不斷膨脹的空間并保持其密度的不變。這種情況非常不同尋常,但并未打破任何的物理學(xué)定律。

然而情況還可以變得更加詭異——如果暗能量的密度隨著宇宙的膨脹而增加,情況將會(huì)如何?換句話說,如果宇宙中暗能量的增加速度超過了宇宙本身的膨脹速度,那將會(huì)如何?

這個(gè)問題是由美國新罕布什爾州達(dá)特茅斯學(xué)院的羅伯特·查得威爾(Robert Caldwell)提出來的。他將其稱為“幽靈暗能量”(phantom dark energy),它將引導(dǎo)宇宙走向一條詭異的命運(yùn)之路。

如果所謂的“幽靈暗能量”真的存在,那么“黑暗終將勝利”——正如電影《星球大戰(zhàn)》中警告我們的那樣。

目前,宇宙中暗能量的密度還非常低,遠(yuǎn)低于地球上物質(zhì)的密度水平,甚至是銀河系中物質(zhì)的密度水平。但隨著時(shí)間的推移,這種“幽靈暗能量”將會(huì)持續(xù)累積并最終撕裂宇宙。

在一篇2003年發(fā)表的論文中,查得威爾和他的同事們構(gòu)建出了一套他們稱之為“宇宙末日”(cosmic doomsday)的理論。其核心內(nèi)容是:一旦“幽靈暗能量”的密度超過宇宙中的某一個(gè)物體,這個(gè)物體就將被撕裂。

這也就意味著,“幽靈暗能量”將首先撕裂銀河系,其中的恒星將散落各處。隨后密度更高的太陽系將會(huì)被撕裂,因?yàn)榇藭r(shí)暗能量將物質(zhì)撕裂開的力量已經(jīng)超過了太陽引力場(chǎng)對(duì)地球和其他公轉(zhuǎn)天體的牽引作用。

緊接著,在短短幾分鐘內(nèi),地球?qū)?huì)被撕裂。再然后,原子將被粉碎,最終,整個(gè)宇宙將會(huì)被撕碎。查得威爾將這種前景稱為“大撕裂”(the Big Rip)。

查爾維爾自己也承認(rèn),他的“大撕裂”理論看上去非常怪誕離奇,但這并不意味著它完全不可能發(fā)生。

有關(guān)幽靈暗能量的理論與一些基本宇宙理論之間存在存在沖突,比如一項(xiàng)基本的傳統(tǒng)假設(shè),即認(rèn)為物質(zhì)與能量的運(yùn)動(dòng)速度不可超越光速。因此我們有足夠的理由拒絕相信這一理論。

基于我們對(duì)宇宙膨脹的觀測(cè)以及粒子物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,宇宙的最終命運(yùn)更有可能是“大凍結(jié)”,很有可能在那之后還會(huì)經(jīng)歷“大轉(zhuǎn)變”以及一次終極的“大塌縮”。

逃離厄運(yùn)的希望

這樣的未來一片黑暗——亙古持久的冰冷空曠,隨后在一次真空衰變中被終結(jié),最終迎來終極塌縮,一切全部消失。有沒有可能逃離這樣的噩夢(mèng)?抑或這是我們命中注定的末日?

當(dāng)然對(duì)于我們每個(gè)單獨(dú)的個(gè)體而言,根本就沒有必要去擔(dān)心這樣的事情。因?yàn)槌恕按筠D(zhuǎn)變”的時(shí)間可能還難以預(yù)料之外,以上所討論的這些事都是在億萬年之后才有可能發(fā)生的,因此對(duì)于我們而言,它們還“尚未成為”某種非常重要的問題。

另外,我們似乎也根本不必為人類的命運(yùn)擔(dān)憂。如果沒有發(fā)生其他變故,經(jīng)歷如此久遠(yuǎn)的時(shí)間,光是遺傳漂變效應(yīng)就已經(jīng)足以讓我們的后代變得與今天的我們完全不同。那么退一萬步說,那時(shí)候的某種“智慧生物”將能夠逃離這樣的毀滅命運(yùn)嗎?

美國普林斯頓高等學(xué)術(shù)研究所的物理學(xué)家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)在1979年發(fā)表的一篇經(jīng)典論文中探討過這個(gè)問題。在當(dāng)時(shí),戴森認(rèn)為生命體可以通過對(duì)自身進(jìn)行改造,從而在“大凍結(jié)”中幸存。戴森認(rèn)為逃過“大凍結(jié)”要比經(jīng)歷可怕的“大塌縮”容易得多。

然 而時(shí)至今日,由于暗能量的發(fā)現(xiàn),戴森對(duì)于這個(gè)問題的樂觀情緒已經(jīng)幾乎完全消散了。對(duì)此他曾經(jīng)發(fā)表過自己的觀點(diǎn):“如果宇宙正在加速膨脹,那可真是一個(gè)壞消 息?!奔铀俚呐蛎浺馕吨覀儗⒆罱K失去與絕大部分星系之間的聯(lián)系,從而大大限制我們能夠獲取的能源數(shù)量。戴森表示:“從長遠(yuǎn)來看,這是一種非常糟糕的情 況?!?/font>

然而情況仍然可能發(fā)生變化。戴森指出:“我們目前仍然無法確定這樣的膨脹是否將會(huì)一直持續(xù)下去,因?yàn)槲覀兏具€不理解宇宙為何會(huì)加速膨脹。對(duì)此較為樂觀的觀點(diǎn)是,隨著宇宙變得越來越大,這樣的加速終將停滯。如果是那樣,那么我們的未來將會(huì)明朗得多?!?/font>

可 是如果宇宙的膨脹并沒有出現(xiàn)減速呢?或者說,如果有朝一日事情變的明朗,那就是“大轉(zhuǎn)變”即將來臨,那時(shí)候?qū)?huì)如何?對(duì)此,一些物理學(xué)家們給出了自己的解 決方案,但聽上去完全就像是一群瘋子科學(xué)家的設(shè)想:要想逃離宇宙終結(jié)的命運(yùn),那就在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)建我們自己的黑洞,然后跳進(jìn)去。

這些物理學(xué)家中的一位是美國麻省理工學(xué)院的阿蘭·古斯(Alan Guth),他是極早期宇宙研究方面的頂尖專家。古斯教授表示:“我無法確認(rèn)物理學(xué)定律是否真的允許這樣做。但如果這是可能的,那么這也將需要極高的,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們目前能夠預(yù)見的技術(shù)水平。我們也將需要巨大的能量來創(chuàng)造黑洞并對(duì)其進(jìn)行操控?!?/font>

阿蘭表示,作為第一步,我們需要?jiǎng)?chuàng)造出一種密度極高的物質(zhì)——它的密度需要高到幾乎達(dá)到只差一點(diǎn)就會(huì)自行塌縮為黑洞的臨界點(diǎn)。如果能夠以恰當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)這一步,并迅速清空該區(qū)域周圍的其他物質(zhì),那么我們就有可能迫使這一空間區(qū)域發(fā)生快速膨脹。

事實(shí)上,此時(shí)你已經(jīng)開始創(chuàng)造了一個(gè)全新的宇宙。隨著該區(qū)域空間的膨脹,宇宙的邊界將會(huì)收縮,形成一個(gè)扭曲的空間“氣泡”,此時(shí)的“里面”要比“外面”更大。

古斯表示,這樣的情景對(duì)于《神秘博士》(Doctor Who)的粉絲們可能并不陌生,這部科幻劇里面的TARDIS可能是對(duì)于他所提到的空間扭曲模式“相當(dāng)精準(zhǔn)的描述”。

最終,外部的世界完全收縮并消失,新生的宇宙將讓我們得以逃脫“舊”宇宙中我們將要面臨的所有厄運(yùn)。

不過基于我們當(dāng)前的認(rèn)識(shí)水平,我們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法確定這樣做是否真的可行。古斯表示:“我必須指出,對(duì)于這一點(diǎn)我們還不甚清楚。我們目前還無法確定這樣做是否真的可行。”

不過,古斯也指出,除此之外我們?cè)诿鎸?duì)宇宙的終結(jié)時(shí)或許還有著另外的一絲希望——對(duì),只有一絲而已。

古斯是最早提出早期宇宙曾經(jīng)在極短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷過一次極高速膨脹的科學(xué)家之一,這就是所謂的“宇宙暴漲”(inflation)。許多宇宙學(xué)家現(xiàn)在都相信暴漲理論是目前解釋早期宇宙中各類現(xiàn)象的最佳理論。而古斯所說的那“一絲希望”正是基于重現(xiàn)這樣的暴漲。

暴漲對(duì)于宇宙的命運(yùn)有著奇妙的影響。該理論認(rèn)為我們所處的宇宙僅僅是所謂“多重宇宙”(multiverse)中的一個(gè),并且存在著一個(gè)永恒膨脹的“背景”,它在不斷制造出像我們所處的宇宙這樣的新的“宇宙氣泡”。

古 斯表示:“如果情況的確如此,那么即便我們知道每一個(gè)單獨(dú)的宇宙'氣泡’最終將會(huì)死亡,但多重宇宙將會(huì)永生,在每一個(gè)新的'宇宙氣泡’中都有新的生命被產(chǎn) 生出來。在這樣的圖景之中,多重宇宙作為一個(gè)整體是永恒的存在,至少在未來是永恒的,盡管單個(gè)的宇宙'氣泡’們不斷的誕生,然后死亡?!?/font>

卡夫卡的那句話也許說的很對(duì),他說:“有很多希望,無限多的希望——但不是我們的?!?/font>

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