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《宇宙的最后三分钟》
铛铛铃2025-09-13【科普】1人已围观
简介
今天为您解读的书是《宇宙的最后3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，美国物理学家彭齐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？它会永远消失吗？到那时，人类的命运又将如何呢？
在《宇宙的最后3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。第一部分讲述了宇宙的起源；第二部分引入了探索宇宙终结命题所必需的宇宙学和物理学的相关概念；第三部分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：第一，宇宙的命运和哪些因素有关；第二，关于宇宙的命运，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。其实在宇宙中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塌缩的速度来决定的。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，就是恒星的光谱向着红光，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，它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，那么它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零，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，宇宙不是匀速胀大的。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塌缩的趋势呢？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地发生着核聚变反应，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，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。
那接下来，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。如果恒星内核的质量太小，比如说接近于一个太阳的质量，那么它将会变成一颗中子星；如果内核质量再大一些，它就会继续塌缩，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塌缩结局，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，约为十的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。
那么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畸变，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像，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，间接地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，在星际可见物质总质量的十倍到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十倍到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，各物质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塌缩。
现在回到我们的第二个问题，关于宇宙的命运，科学家们又有哪些猜想呢？基于不同的假设，戴维斯教授为我们描绘了宇宙最后3分钟的不同图景。接下来就讲讲持续膨胀、塌缩和反弹这三种可能性。
第一种假设是宇宙将会一直膨胀下去。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儿。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。
引力塌缩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它。
除开黑洞，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十的28次方年，这比目前所知的宇宙年龄还长了100亿倍。不过这里说的十的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十的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。
于是膨胀宇宙的前景大概是这样的：原初大爆炸遗留下来的由光子和中微子构成的背景辐射会一直存在，随着宇宙的膨胀，这些粒子的能量会越来越小，直至成为可以忽略不计的背景，而其他普通物质将全部消灭，所有黑洞也会蒸发殆尽，最后只剩下一些电子和正电子。这种黑暗虚无的永恒死亡绘卷，正是19世纪曾喧嚣一时的热寂说的现代宇宙学版本。
所幸宇宙退化持续的时间很长，长到远超出我们能够想象的范围。那么，任何形式的生命都将最终由此走向衰亡吗？人类将如何面对这一切呢？令人宽慰的是，在未来的二三十亿年内，地球仍旧能够支持人类的生存环境。人类首先要面对的是太阳系的灭亡，所以人类首先会发展星际移民技术，将活动范围从地球扩张到银河系内的其他星系。
而成为了移民者的人类将会是什么样子的呢？或许他们会通过基因工程对自身进行改造，以适应不同星球的特殊环境。在外表和心理上，未来人类没有必要和我们保持一致，他们甚至都不必是有机体，完全有可能是有机和人工神经网络的混合共生体。在未来，生物和非生物、自然和人工、人脑和电脑之间的界限将变得越来越模糊。人类甚至可能任命人造的代理人进入不适合人类开拓的地方。
然而，无论技术如何发达，人类后代仍将受制于物理学的基本规律，他们面临的威胁来自于宇宙中可用能源的持续性消耗。信息处理需要消耗能量，所有智慧生物最终都逃不过能源危机。实际上，智慧生物如果要延长自身寿命，有两条路可供选择：一是尽可能长时间的生存；二是加快思考和体验的速度。一个人对信息的处理速度越快，他在一定时间里产生的思想和感受就越多，于是对时间流逝的主观体验也就越快。
考虑到膨胀宇宙中有限的能源和无限的时间，人类有必要采取一种折中的策略，以求在信息处理和休眠中取得平衡。面对宇宙的能源危机，通过节省开支、适时休眠，人类仍然有可能获得一种近似不朽的主观体验。
以上推测都基于一个前提：宇宙将会永远膨胀下去。而根据第二种假设，如果宇宙终有一天停止膨胀，并开始走向收缩，那么世间万物的命运又将发生怎样的变化呢？
如果宇宙终将走向收缩，那么宇宙的末日就会是另外一番景象。当宇宙从膨胀到最大值之后开始收缩，一旦收缩到我们当前宇宙的大小时，塌缩的速度就会开始加快，因为宇宙不是匀速膨胀的，反之它也不是匀速塌缩的。持续的受力将使得塌缩成为一个加速过程，而且物质越密集，引力就越大。
接下来的100亿年以后，宇宙微波背景辐射的持续上升将带来温度的升高。当温度上升到300开尔文，也就是差不多27℃时，地球将开始无法向外散热，温室效应将使得地球越来越热，人类的后代将无处可去。之后每过几百万年，宇宙的尺度都会缩小一半。最终宇宙微波背景辐射将变得极其强烈，以至于在夜空之中显现出不祥的暗红色光辉。
随着变化的加快，情况愈发变得极端起来。宇宙发生明显的变化只需要10万年，然后是1000年，接着是100年。在这个加速的过程中，温度将会上升到数百万开尔文，乃至数十亿开尔文，空间和物质被无限压缩，原本容纳一个星系的物质需要占据的空间直径将变成只有区区数个光年。宇宙的最后3分钟来临了，原子核解体了，物质成为了一锅均制的基本粒子浓汤，除了黑洞以外的所有结构都已不复存在，而这只花费了几秒钟的时间而已。
接下来，物质将受到强烈的压缩。由于单个质子和中子是由称为夸克的基本粒子组成的，它们被压碎，剩下的是一锅夸克汤。在宇宙的终极末日来临前的几微秒，黑洞也开始相互融合。在最后时刻，引力主导了一切，向内收缩汇聚的冲击，也称为内爆，将在起点处粉碎一切物质，包括空间和时间本身。这就是宇宙的末日。
对于人类而言，主观时间取决于我们新陈代谢的速率和处理信息的速度。只要剩余的时间能在头脑里被无限延长，那么我们就不必担心时间的终结。人类可以不断加快思考的速度来应对不断趋近的世界末日。只要有足够的能源，我们就可以赢得时间，而对一个不断塌缩释放能量的宇宙来说，能源永远不是问题。
到目前为止，我们一直在假设宇宙的完结发生在非常遥远的未来。不过，我们还需要认真考虑另外一种可能性。人类对宇宙的认识受到光速的限制，如果太阳现在发生爆炸，那么8分30秒之后我们才知晓这一事实。同样，附近一颗恒星很有可能发生了超新星爆发，这会使我们沐浴在致命的辐射当中，而当坏消息以光速穿越银河系时，我们仍对此一无所知。这种现象称为过去光追光线的光圆锥的锥（此处原文可能有误，推测想表达“过去光锥”相关概念）。
在量子物理学里，真空根据所处的能级不同，可以分为真真空和伪真空。真真空是指真空的能量处于最低能级，或者说基态，而伪真空则是一个理论上的概念，其能级高于真真空，蕴含着巨大的能量，极其不稳定，随时会衰减到真真空状态。有一种理论指出，我们的宇宙可能并不像我们通常所想的那样处于稳定的真真空状态，而是处于一种脆弱的伪真空状态之中。
如果在某处发生了所谓的真空衰变，那么那里可能会进入一个更低的能量状态，从而引发可怕的后果。与真真空连接的区域会在不到一微秒的时间内塌缩成一个时空起点，一切都会瞬间湮灭。可怕的是，由于我们之前提到的过去光锥效应，我们并不知道真真空气泡会在何处成型，然后以光速向周围移动，所以我们连3分钟的警告时间都没有，死亡会突然降临。
然而，从另一个侧面来讲，真空气泡或许又是宇宙居民唯一可选的逃脱灾难的方法。在真真空看来，伪真空气泡所占据的区域类似一个黑洞，伪真空在里面持续膨胀。随着连接黑洞的虫洞最终被挤压掉，与母体宇宙分离的伪真空气泡成为了一个新的婴儿宇宙。按照这种方式，新的宇宙或许会成批诞生，每个宇宙都会经历诞生、演化、死亡的过程，但作为一个整体，它们将永远存在下去。
我们还不知道婴儿宇宙与母体宇宙的继承关系，或者他们共享非常相似的物理学定律，他们之间甚至可能存在一种类似达尔文式进化的可能性。但至少有一点是令人欣慰的，当宇宙的最后3分钟来临时，某种有意识的生命可能会在别处幸存。
这些并不是我们逃避宇宙末日的唯一可能性。即便宇宙终将塌缩，塌缩也并不意味着完全毁灭。第三种假设，宇宙可能会存在某种反弹，从而开始新一轮的膨胀塌缩循环，这样宇宙将没有真正的开始和结束。这非常类似于我们所熟悉的佛教中轮回的概念。宇宙循环模型在某种程度上给了我们一点安慰，宇宙每经历一次新的循环，都会像凤凰涅槃一样浴火重生，演化出新的结构和系统。
不过这一理论同样有其缺陷，宇宙需要在塌缩的后期以一个非常高的密度进行反弹，并且一些物理过程也会破坏每一次膨胀和塌缩的对称性，这会导致很多不可避免的结论，其中之一就是每一次的循环都会产生比之前更多的黑洞，这就让塌缩循环理论中周而复始的状态不再完美。就好像一只不断吹气放气的气球，几次循环之后，它有可能再也无法恢复到原来的大小。
以上就是人类对宇宙末日所做的探讨。宇宙从诞生开始，它的旅途有终点吗？如果宇宙拥有目的，并且已经实现了，那宇宙就必须终结，因为它的持续存在将变得毫无理由，也没有意义。反过来说，如果宇宙永恒存在，那就意味着宇宙没有什么终极目标。如果旅途没有终点，那它还有意义吗？或许当宇宙最终走到最后3分钟的时候，人类后代能够找到宇宙存在的真正意义。
好，《宇宙的最后3分钟》这本书就为您解读到这里。听书笔记在音频下方，我们下期再见。
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