其實可以用一句話概括宇宙:宇宙中的一切都在走向死亡,無論是物質還是生命,即使它演化到神級文明,都逃不開一個結果,因為生命為之依托的宇宙命運已經一定,作為寄生者之一的生命,能逃開這個魔咒嗎?
人類對于宇宙的認識
曾經古希臘人認為世界由水、氣、火、土四種元素構成,以太則是亞里士多德設想的第五種元素,后以太又被牛頓借用,成了傳遞引力的介質,還有十九世紀所提出的光以太,還有電磁以太,當然被掃進了歷史的垃圾桶,但以太后來成了現代的以太網,這也許是亞里士多德所沒有想到的
古人對于世界的認為來自于觀察,宇宙同樣是,因此誕生地心說,經過托勒密的總結,成了邏輯非常嚴密的地心說,不過早在托勒密之前將近500年,阿里斯塔克斯就提出了日心說,但是在沒多少證據最后不了了之,但就整個思維火花被阿里斯塔克斯1800年后的哥白尼所發揚光大,最終日心說創立!
從牛頓受到開普勒以及伽利略的啟發加上自己的獨特視角發現了萬有引力,到拉普拉斯計算整個太陽系軌道,以及無數科學家的添磚加瓦,經典力學輝煌持續300年!一直到愛因斯坦提出相對論,對宇宙的認識進入了廣相時代。
宇宙的物質來源
從愛因斯坦推出廣義相對論到勒梅特提出宇宙大爆炸理論,僅僅相隔十年,當然還有哈勃對于遙遠宇宙觀測發現的紅移,伽莫夫則提出了大爆炸早期太初核聚變理論,而拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼則理論上預言了宇宙微波背景輻射的存在,當然后續這兩種都得到了驗證,宇宙大爆炸模型到現在為止是最符合觀測證據的。
宇宙大爆炸的幾個證據
從廣相推導出來的宇宙膨脹到質能等價推導出宇宙物質的來源,都從觀測上得到了驗證,但從現代物理所能驗證的極限,只能到宇宙大爆炸后10^-11S,因為加速器的極限能級只能模擬到到這個程度,在這之前只能根據我們所擁有的科學知識推測。但物質的誕生已經解決。
因為我們熟知的夸克膠子等離子狀態就是在這個時候產生的,到了10^-6S時重子物質誕生,3分鐘時太初核聚變開始,最早期的氫原子核和氦原子核和少量鋰原子核就是那時產生,而此光子退耦則要在大爆炸38萬年溫度降低后才能發生!
我們觀測到微波背景輻射就是大爆炸后38萬年的所發出的光子,只是宇宙膨脹已經將其頻移到微波頻段,所以,大爆炸的幾個論據都得到了驗證,從宇宙誕生論中,大爆炸理論還算比較靠譜。
宇宙命運
1935年羅伯遜和1936年沃爾克證明了宇宙各向同性的條件下,宇宙的四維時空只有三種,和修正宇宙膨脹的宇宙常數Λ結合,可以推出是宇宙未來發展趨勢,比如當宇宙空間曲率K取值為0時:
弗里德曼度規
如果宇宙學常數Λ>0,則表示為排斥力;
如果宇宙學常數Λ<0,則表示為吸引力;無論你把宇宙空間曲率K取多少數值,宇宙都會收縮。
如果宇宙學常數Λ=0,就是靜態宇宙
當然Λ和K的配合比例非常多,但各位完全不必暈菜,因為在1967年時,愛德華·哈里森將這兩個參數的取值對應的宇宙未來總結成了一張圖表:
宇宙常數Λ和曲率K配合下的宇宙形狀
宇宙在絕大多數情況下都是膨脹的,但宇宙常數Λ如何取值成了一個非常頭大的問題!所以宇宙的命運我們依然未可知?其實不然,我們找到了替代方法。
宇宙的質量密度很關鍵!
二十世紀九十年代時候天文學家發現了一種新的思路,確定宇宙的年齡只需要兩個參數,分別為:
哈勃常數
宇宙質量密度
前者代表膨脹速度,但我們可以通過廣義相對論得到一個宇宙的臨界密度,假設宇宙是平坦的(九十年代時已經觀測無數次宇宙微波背景輻射,在萬分之六的精度上依然是平坦的),那么根據廣義相對論,可以得到一個讓宇宙停止膨脹的臨界密度!
廣相推導出來的臨界密度公式
假設以2012年12月20日美國國家航空航天局的威爾金森微波各向異性探測器取得的70千米/秒·百萬秒差距計算,臨界密度為:0.9×10^(-29) g/cm^3,大概是每立方厘米一個質子不到,夠小哈!
那么接下來我們要計算宇宙的實際密度做比較?NO,因為我們實在無法計算,但有另個偷懶的方式代替,因為用臨界密度和實際密度做比較,我們將會得到一個三個結果,假設這個比值定義為Ω0,那么結果就為:
Ω0 =1:宇宙是平坦的,宇宙會繼續保持目前狀態緩慢膨脹;
Ω0 >1:宇宙收縮,出現封閉宇宙,宇宙會逐漸減慢直至反轉收縮;
Ω0 <1 :宇宙開放:宇宙會加速膨脹;
Ω0取值和宇宙的形狀
想必各位已經知道天文學家的小心思了,計算宇宙實際密度很難,但觀測宇宙是否平坦不難,因為天文學家可以用最遙遠的微波背景輻射作為計算依據,來參考宇宙是否是閉合的!那么結果如何呢?
以微波背景輻射為依據觀測的宇宙平坦度
觀測的結果是角度極度接近實際角度,也就是說是一個平坦宇宙,宇宙會按當前的膨脹速率繼續緩慢膨脹!但有一個非常不幸的消息告訴大家,因為天文學家早在21年前的1998年就通過遙遠星系Ia超新星爆發的紅移觀測發現,宇宙大約在45億年前開始了加速膨脹,暗能量被發現,我們賴以計算宇宙平均密度的哈勃常數是會改變的,未來的哈勃常數H值可能會越來越大,簡單的說未來宇宙膨脹速度會越來越高,宇宙正走向這個極端膨脹的時代。
只有生命在進化嗎?
這可能是靈魂之問,因為放在宇宙這個尺度下,生命實在是太渺小了,因為宇宙從誕生走向極度膨脹的大撕裂時代里,從來都沒有過生命的位置,那只是一個意外,很多朋友都喜歡問一個問題,認為如果沒有了人類,宇宙的存在還有意義嗎?
其實宇宙從來都沒打算過誕生人類,只不過我們這個宇宙的各項參數非常合適,因此在宇宙的某些區域的某些星球上誕生了生命,至少人類就是這樣的條件下誕生的,生命在地球上從最基本的RNA到DNA,到單細胞的藍藻,再到寒武紀生命大爆發,從水生到陸生,到二疊紀恐龍誕生,侏羅紀哺乳動物誕生,再經過小行星撞擊的恐龍滅絕,哺乳動物得以爆發性發展,原上猿出現,到1000萬年前的臘瑪古猿,最終在非洲大陸上下地行走的南方古猿,再出現智人打敗尼安德特人稱霸地球!歷經將近40億年的時間,很久是吧!
但對于宇宙來說,這不過是剛剛開始而已!
太陽的壽命還有50億年,但25億年后地球上沒法再住人;
1000億年后因為宇宙膨脹,除開本星系群外,其他星系都離開了可觀測宇宙。
8000億年后,壽命最長的紅矮星即將熄滅。
1萬億年后星系中能超新星爆發的恒星已經消耗殆盡,未來難以再有新的恒星形成。
1千萬億年后白矮星太陽表面冷卻至5K;
10^106年所有黑洞通過霍金輻射蒸發殆盡,宇宙所有物質成為基本粒子。
從宇宙的誕生到死亡
再先進的超級文明,可以通過自身的發展超越宇宙嗎?如果文明可以和宇宙同時抵達時間的盡頭,比如黑洞也通過霍金輻射蒸發殆盡,那么他們將用什么能源繼續?
眾神的黃昏,也不過如此!