宇宙的最后时刻是怎样的?


宇宙的最后时刻也会是灭亡吗?听起来有点科幻,甚至和自己的生活毫不相干,毕竟在我们的认识里,宇宙亘古不灭,但宇宙作为一个整体,必然受到物理规律的限制,诞生到灭亡的演化还是无法逆转。

目前主流的科学家认为宇宙一定会走向灭亡,因为无论是新的理论,还是新的观测手段都在指向同一个答案,那就是宇宙是有终点的。

而宇宙有终点最开始的推断来自于1两个个思想实验,第一个被称作奥尔伯斯悖论。这个问题就是夜晚的天空为什么是黑色的?这个问题应该很少有人思考过,就已经变成了我们对这个世界的基本认知,就像是1+1=2不需要验证一样,殊不知1+1=2的文职至今还没有被证明是正确的。


夜空中闪亮的星球其实大多数都是恒星。咱们假设每颗恒星的亮度都一样,其他星星之所以远远不如太阳亮,是因为离我们的距离要远得多。一颗恒星如果到地球的距离是太阳到地球的2倍,亮度就只有太阳的1/4,亮度的衰减,是和距离的平方成正比的。

但是如果我们假设宇宙无限大,恒星的分布是均匀的,咱们在地球周围就可以画一个假想的球形,你会发现,如果球形的半径变成之前的2倍,这个球里边包住的恒星数量就是之前的4倍。恒星的数量增加,也和距离的平方成正比。

所以,离地球的距离越远,恒星的亮度在衰减,但是恒星的数量在增加,这一减一加其实抵消了。如果宇宙无限大,那么这无数颗恒星无论多远,照在地球上的效果就应该像无数个太阳照射地球一样。那夜晚怎么可能是黑色呢?

唯一可能的解释,就是一开始的假设其实是错的。宇宙不是无限大,恒星也不是无限多。我们身处的宇宙,虽然广阔,但是其实是有边界,有质量的。

以上就是第一个思想实验。

第二个思想实验是冯·亥姆霍兹基于小学二年级就学过的热力学第二定律做出的。大家可能小学毕业比较久了我们一起复习一下热力学第二定律,就是在一个封闭的系统里,如果没有外力的干涉,热量永远是从温度高的地方流向温度低的地方,这个过程是不可逆的,说夏天空调吹冷风的评论里留言来补课。

根据热力学第二定律是如何推断宇宙的未来呢?根据上一个思想实验,可以确定宇宙是一个封闭系统,宇宙的空间是有限的,物质总量也是有限的。所以,不论宇宙多么庞大,星球的运行多么复杂。但是热力学第二定律一直会对宇宙起作用,热量会不停地从温度高的地方流向温度低的地方。所以迟早有一天宇宙的每个角落,温度都变得一模一样。之后,这个宇宙中就不会再发生任何有意义的物理活动,就像是一滩特别平的水,没有办法流动,也不会有任何波澜。也就是大名鼎鼎的热寂。

而对热寂理论强有力的支持就是,宇宙大爆炸。通过微波背景辐射的观测确认,我们几乎可以确认今天的宇宙,它的诞生源自一场大爆炸。宇宙从一个密度极高的点开始扩张,之后不停地变大。而宇宙如果继续扩张下去,不仅未来的宇宙会处处温度相同,而且宇宙越大,这个最终温度就会越低,甚至会无限接近「绝对零度」,也就是零下 273.15 摄氏度。越接近这个温度,粒子的动能就越小,物质就会变得越不活跃。

接下来我们想象一下遥远的未来,宇宙中大部分恒星已经燃烧殆尽,几乎是黑暗一片,但并非空无一物,还有无数的黑洞、中子星和黑矮星,不过宇宙中天体的密度非常低,因为那会儿的宇宙会膨胀到现在的一万亿亿倍。

在宇宙膨胀的过程中,引力会进行一场拉锯战,天体间的引力却试图将远离的天体聚合。

这就像是一场拔河比赛,那到底哪一边会取胜呢?会取决于宇宙中物质的密度。物质的密度越低,膨胀的力量就越强,物质的密度越高,聚合的力量就越强。那到底哪一边会取胜呢?会取决于宇宙中物质的密度。物质的密度越低,膨胀的力量就越强,物质的密度越高,聚合的力量就越强。我们都知道,密度等于质量除以体积,今天的科学家们已经可以推测出宇宙到底有多大,进而估算宇宙的体积。那接下来,决定宇宙命运的关键,就是宇宙的质量了。

科学家们已经知道,银河系大约有 1000 亿颗恒星,假设每颗恒星的质量等同于一个太阳的质量,由此,我们就得到了银河系质量的下限值。

进一步,我们可以推算出宇宙中有多少个星系,目前比较合理的估计是 100 亿个。因此宇宙总质量为 10 的 21 次方个太阳那么重。

这就是宇宙质量的下限值,换句话说,宇宙应该不会比这个重量更轻。这个密度并不高,如果宇宙只有这么多质量的话,那么我们身处的宇宙会一直膨胀下去,最终走向热寂。

当然,这只是根据宇宙质量的下限值得出的结论,而这个下限值来自于我们可以观测到的恒星。但是很多科学家相信,我们看到的宇宙物质,比实际存在的宇宙物质要少很多。比如,宇宙中有很多并不发光的天体,像是暗星、行星,还有黑洞,到底它们的质量是多少?宇宙中是否存在暗物质和暗质量?一些数量庞大但极其微小的粒子,比如中微子,它们到底有没有质量?这些问题,今天的科学家还没有办法回答。也许只有等这些问题都有答案之后,我们才能准确地计算宇宙的质量。

以目前的科学技术,不论是热寂还是收缩,都只是科学家的猜想。在当下这个时间节点,想要准确预言宇宙的未来,还是不可能的。

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页面更新:2024-02-23

标签:宇宙   热力学   天体   恒星   亮度   密度   物质   温度   时刻   太阳   质量

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