《 宇宙 的 最後 三分鐘 》： 揭秘 宇宙 最終 時刻 ， 探尋 智慧 生命 未來 (1)
忠实 传递 价值 解读 全球 好书 你好
今天 为 你 解读 的 书 是
宇宙 的 最后 三分钟
自古 以来
宇宙 的 起源
始终 是 困扰 着 人类 的 一个 谜团
1965年 美国 物理学家
彭奇 亚斯 和 威尔逊
发现 了 宇宙 微波 背景 辐射
证实 了 宇宙 大 爆炸 的 余波
仍旧 能够 被 我们 观测 到
从此 宇宙 大 爆炸 理论 逐渐 被 大众 接受
在 时间 简史 这 本书 中
物理学家 霍金 提出
大 爆炸 发生 后
在 远 小于 一秒 的 时间 里
宇宙 的 半径 增大 了 100 万亿 亿 亿倍
霍金 的 观点
将 人类 对 宇宙 诞生 时刻 的 认识
又 往前 推进 了 一步
随着 对 宇宙 起源 的 了解 逐渐 深入
我们 对 宇宙 将 如何 结束
表现 出 越来越 强烈 的 好奇心
宇宙 会 持续 增长
生生不息 还是 逐渐 衰败 走向 凋零
宇宙 的 终极 命运 是 什么
他 会 永远 消失 吗
到 那时 人类 的 命运 又 将 如何 呢
在 宇宙 的 最后 三 分钟 里
作者 保罗
戴维斯
将 带领 我们 探索 宇宙 将 如何 走向 终结
这 一 终极 命题
这 本 书 由 11 章 构成
大致 可以 分为 三个 部分
所 必须 的 宇宙学 和 物理学 的 相关 概念
介绍 了 几种 关于 宇宙
末日 图景 的 不同 观点
保罗 戴维斯 是 澳大利亚
阿德莱德 大学 的 教授
著名 物理学家 和 科普 大师
华盛顿 时报 称
他 为 大西洋 两岸 最好 的 科普 作家
这 本书 的 解读 将 围绕 着 两大 问题 展开
科学家 们 有 哪些 猜想
先 来 说 第一个 问题
宇宙 的 命运 和 哪些 因素 有关
其实 在 宇宙
主要 存在 着 两种 相反 的 运动 趋势
塌缩 和 膨胀
宇宙 的 命运
是 由 膨胀 和 他 缩 的 速度 来 决定 的
如果 膨胀 占 了 上风
那么 宇宙 将会 一直 膨胀 下去
反过来 如果 塌缩 最终 取得 了 优势
那么
宇宙 将 在 经历 了 一段时间 的 膨胀 后
转入 收缩 模式
最后 消失 在 一个 起点 里
为了 理解 这 一点
下面 让 我们 具体来说 说
影响 宇宙 膨胀 和 塌缩 的 因素
先 来 说 说 宇宙 膨胀 是 怎么 一 回事
通过 探索 宇宙 的 过去 我们 可以 发现
迄今 为止
宇宙
其实 处于 一个 不断 膨胀 的 过程 当中
有力 的 证据 是 星系 的 红移 现象
所谓 红移 就是 恒星 的 光普 向着 红光
也 就是 光波 频率 较 低 的 方向 移动
根据 多普勒 效应
当 物体 远离 观测者 时
他 发出 的 光谱 的 频率 将会 降低
也就是说
遥远 的 恒星 正在 远离 我们
宇宙 正在 膨胀
如果 说 宇宙 在 膨胀
那么 他 在 过去
一定 是 处于 某种 压缩 状态
如果 我们 将 时间 倒 过来 播放
将会 看到 所有 的 星系 都 聚合 在 一起
从 目前 的 膨胀 速率 来 推算
宇宙 空间 的 尺度 聚合 到 0
需要 数十亿年 的 时间
也就是说
宇宙 大 爆炸 发生 在 数十亿年 之前
大 爆炸 是 空间
时间 物质 和 能量 的 起源
通过 进一步 的 研究
科学家 们 发现 宇宙 的 膨胀 不是 线性 的
宇宙 不是 匀速 壮大 的
在 最初 的 几分之一 秒 内
宇宙 发生 了 爆炸
风暴 的 爆 膨胀 的 胀 也 就是 指数 级 的
高速 膨胀
这 可能 是 反引力 造成 的 结果
所谓 反 引力
是 一种
假想 的 与 万有引力 相反 的 排斥力
一些 研究 理论 表明
在 宇宙 早期 极端 的 温度 和 密度 条件 下
反 引力 是 有 可能 存在 的
如果 爆炸 理论 是 正确 的
那么 宇宙 仅仅 只 花 了 3分钟
就 生成 了 大多数 的 物质
物质 慢慢 聚集 成为 恒星 和 星系
太阳 就是 其中 的 一颗 恒星
既然 宇宙 一直 在 膨胀
那么
又 是 什么 因素 导致 了 他 缩 的 趋势 呢
是 无处不在 的 万有引力
接下来 让 我们 用 超新星 作为 例子
来看 一下 引力 的 威力
首先 是 引力
让 恒星 成为 我们 现在 看到 的 样子
恒星 的 内部 持续 不断 的 发生 着 核聚变
反应 反应 的 产物 是 一种 压缩 气体
这种 压缩 气体 产生
向外 膨胀 的 强大 压力
持续 抵抗 着 恒星 外壳 向 内 的 万有引力
构成 了 微妙 的 平衡 状态
从而 避免 了 恒星 的 崩塌
其次 还是 引力 将 恒星 引向 末日
随着 核燃料 的 消耗
恒星 的 内部 区域 将 不再 产生 热量
于是 引力 将 逐渐 占据 上风
恒星 将 在 万有引力 的 作用 下 急速 收缩
直至 原子核 都 被 压碎
在 这个 密度 下
一个 乒乓球 大小 的 体积
就 能 容纳 接近 万亿 吨 的 物质
当 引力 达到 极致 就 会 面临 一场 爆发
引力 塌缩 过程 中 释放出
强大 的 引力 势能
形成 一股 巨大 的 冲击波
同时 发射 出 大量 的 中微子 脉冲
中微子 是 一种 基本 粒子
不 带电 质量 极小
接下来 恒星 将会 以
100亿 颗 太阳 的 亮度 持续 发光 数周
这 就是 超新星 爆发
超新星 爆发 不会 完全 摧毁 恒星
恒星 的 内核 仍会 保留 下来
如 恒星 内核 的 质量 太 小
比如说 接近 于 一个 太阳 的 质量
那么 他 将 会 变成 一颗 中子星
如果 内核 质量 再 大 一些
他 就 会 继续 塌缩
并 最终 消失 在 一个 黑洞 之中
这 就是 恒星 的 末日
老年期 的 恒星 在 爆发 时 所 产生 的 气体
会 成为 诞生 新一代 恒星 的 原始 物质
但是 在 这个 过程 中
产生 的 中子星 或者 黑洞
将 无法 继续 被 循环 利用
就 像 一颗 洋葱 被 一层层 剥开
恒星 中 可用 的 物质 将会 越来越 少
直至 完全 耗尽
随着 恒星 逐渐 熄灭
光明 的 时代 将会 永远 结束
随之而来 的 是 永恒 的 黑夜
黑洞 里 的 引力 非常 强大
强大 到 连 光子 都 无法 逃脱
当 最后 只 剩下 中子星 和 黑洞 时
两个 中子星 合并
可能 会 产生 一个 更大 的 中子星
或者 黑洞
而 一个 中子星 和 一个 黑洞
或者 两个 黑洞 合并 时
必然 会 产生 一个 黑洞
我们 已经 看到
万有引力
正是 终结 恒星 生命 的 罪魁祸首
当 我们 把 视野 拓展 到 恒星 和 黑洞 之外
考虑 将 引力 作用 于 整个 宇宙 时
将会 获得 关于 宇宙 最终 命运 的 启示
宇宙 最终 是 膨胀 结局 还是 他 缩 结局
这 取决于 膨胀 速度
和 宇宙 总 引力 的 大小
根据 大 爆炸 理论
如果 宇宙 的 膨胀 速度 足够 大
那么 膨胀 就 会 克服 引力 的 作用
永远 持续 下去
而 如果 膨胀 速度 太 慢
那么 引力 将 最终 占据 上风
膨胀 将会 停止
宇宙 就 会 开始 塌缩
宇宙 的 终极 灾难 将会 随之 发生
那 我们 就 来 看
看 宇宙 膨胀 速度 和 宇宙 总 引力
应该 如何 计算
简单 来说
宇宙 的 膨胀 速度 可以 通过 观察
红移 现象 得出
而 根据 万有引力 定律
宇宙 总 引力 的 大小 取决于
宇宙 的 总 质量
如果 我们 能够 称出 宇宙 总 质量 的 大小
那么 就 可以 估算 出 总 引力 的 大小 了
不过
测算 宇宙 的 总 质量 是 一项 艰难 的 任务
有些 科学家 认为
我们 可以 通过 测量 太阳 的 质量
来 推导 宇宙 的 质量
如果 我们 将 太阳 质量
当做 恒星 的 平均 质量
那么
通过 观测 太阳 对 行星 轨道 的 引力 效应
就 可以 测量 出 太阳 的 质量
然后 进一步 估测 宇宙 中 恒星 的 总数
再 乘以 太阳 质量
就 可以 估算 出 整个 宇宙 的 质量 大小
约 为 10 的 48 次方 吨
这样 算下来
宇宙 的 总 引力 其实 并不 大
无法 与 膨胀 效应 抗衡
于是 我们 似乎 可以 得出 一个 结论
如果 宇宙 的 质量 仅 由 恒星 决定
那么 宇宙 将会 永远 膨胀 下去
不过 这样 估算 其实 并 不合理
因为 宇宙 中
还 存在 着 许多 看不见 的 天体
比如 暗星
行星 黑洞 等等
而且 宇宙 中 还 有 数不清 的 尘埃 和 气体
再 加上 宇宙 大 爆炸 时 产生 的 大量
中微子 和 弱 相互作用
大 质量 粒子
宇宙 的 真正 质量
要 比 我们 刚才 的 估计 大得多
通过 对 银河系 恒星 运动 速度 的 观察
科学家 们 认为
在 银河系 中 存在 着 很多 暗物质
所谓 暗物质
是 理论 上 存在 于 宇宙 中 的 一种
不 可见 的 物质
它 可能 是 宇宙 物质 的 主要 组成部分
但 又 不 属于 构成 可见 天体 的 任何 一种
已知 的 物质
对 星系团 内 星系 运动 的 研究 也 证明
大量 暗物质 的 存在 影响 着 星系 的 运动
应该 如何 来 估算 暗物质 的 质量 呢
爱因斯坦 的 广义 相对论 预言
由于 时空 在 大 质量 天体 附近
会 发生 疾变
使得 光线 经过 大 质量 天体 附近 时
发生 弯曲
如果 在 观测者
到 光源 的 直线 上 有 一个 大 质量 的 天体
那么 由于 光线 弯曲
观测者 会 看到 一个 或者 多个 相
这种 现象 被 称为 引力 透镜 效应
通过 引力 透镜 效应
天文学家 们 可以 通过 恒星 亮度 的 变化
间接 的 观测 到 暗 天体 的 存在
不过
不同 天文学家 估算 的 暗物质 的 总量
各 不 相同
范围 在 星际 可见 物质 总 质量 的
10倍 到 100倍 之间
那么 关键 问题 来 了
是否 存在 有 足够 多 的 暗物质
来 阻止 宇宙 的 持续 膨胀 呢
不巧 的 是
恰好
能够 阻止 宇宙 继续 膨胀 下去 的 最
小 质量
也 刚好 处于 星际 可见 物质 总 质量 的
10倍 到 100倍 之间 的 这个 范围
所以 我 目前
无法 比较
宇宙 的 质量 和 这个 临界 质量 的 大小
也 就 无法 确定
宇宙 是否 会 永远 膨胀 下去
总结 一下
宇宙 起源 于 一场 大 爆炸
此后 就 一直 在 膨胀 之中
或许 会 一直 膨胀 下去
而 在 宇宙 诞生 的 星系 之中
部分 恒星 会 演化 为 引力 极大 的 黑洞
所以 另 一种 可能 的 情况 是
当 宇宙 中 物质 的 质量 足够 大 时
各物 之间
相互 牵引 的 引力 将 制约 宇宙 的 膨胀
宇宙 或许 将 在 引力 的 影响 之下
走向 他 缩
现在 回 了 我们 的 第二个 问题
关于 宇宙 的 命运
科学家 们 有 哪些 猜想 呢
基于 不同 的 假设
戴维斯 教授 为 我们 描绘 了
宇宙 最后 三分钟 的 不同 途径
接下来 就 讲讲 持续 膨胀
塌缩 和 反弹 这 三种 可能性
在 宇宙 膨胀 的 过程 中
引力 将会 与 宇宙 展开 一场 旷日
持久 的 拉锯战
膨胀
宇宙 试图 将 天体 之间 的 距离 不断 撑大
而 引力 则 会 与 之 相反
试图 将 各个 天体 聚拢 到 一块
结果 将 是 一场 妥协
星系团 仍 将 受到 引力 的 束缚
而 集中 在 一起
但 各个 星系 之间 的 距离 将会 越来越 远
引力 他 所 所 产生 的 能量 辐射
随着 时间 的 流逝
将会 逐渐 消耗 恒星 的 能量
于是 死亡 的 恒星
将会 靠近 其他 死亡 的 恒星 或者 黑洞
从而 开启 一场 大规模 的 吞噬
与 合并 的 盛宴
以 我们 的 太阳系 为 例
在 引力 的 作用 下
1万亿 亿年 以后
太阳 围绕 银河系 中心 运动 的 轨道
将会 被 完全 破坏
而 太阳 的 残骸
将会 慢慢 滑入 银河系 的 中心
在 那里 一个 巨大 的 黑洞 正 等待 着 他
初开 黑洞
宇宙 中 还 会 有 一些 物质 继续 存在
比如 中子星 独自 漫游 的 行星
还有 各种 稀薄 气体 和 尘埃
那么 这些 东西 会 永远 幸存 下去 吗
先 来 看看 组成 一切 物质 的 基本 粒子
质子 不同 的 理论
推测 出 的 质子 寿命 是 不同 的
根据 其中 一个 理论
质子 发生 衰变 的 平均 时间 是
10 的 28 次方 年
这 比 目前 所知 的 宇宙 年龄
还 长 了 100亿 倍
不过
这里 说 的 10的 28次方 是 预测 的 平均寿命
如果 有 足够 多 的 质
子 其中 一个
就 有 可能 在 你 眼皮 底下 发生 衰变
如果 质子 确实 会 发生 衰变
那么 总有一天
所有 的 质子 都 会 消失 不见
除开 质子
中子 同样 也 无法 幸免
只要 时间 足够 长
白矮星 岩石 尘埃
彗星
气体 云 以及 所有 其他 天体 都 会 消亡
因此 我们 目前 能 观测 到 的
多达 10 的 48 次方 吨 的 普通 物质
注定 要么 消失 在 黑洞 中
要么 消失 在 缓慢 的 质子 和 中子 衰变 中
或许 会 有 一些 衰变 产物 留下
孤立 的 电子 和 正电子
还有 两者 湮灭 后 的 产物 光子
