宇宙中的一切都有其起点和终点。宇宙诞生于奇点的大爆炸,以其宏伟的规模让人类难以想象其最终的消逝。但科学家们提出了一些理论,提出宇宙可能会通过坍缩、热寂或者真空衰变来结束。
热寂论认为,随着高温区域的热量转移至冷却区域,最终所有的热量将达到均衡,从而不再发生温差,达到熵增的极限。在这样的情况下,宇宙不再产生新恒星,空间停止扩张。恒星的消亡接踵而至,留下的中子星和白矮星也会慢慢熄灭。甚至“黑洞”也会因霍金辐射逐渐蒸发,直到完全消失。
宇宙的活力逐渐退去,只剩下黑暗和寂静。虽然这一结局令人绝望,但宇宙坍缩论或许更易被人接受。
宇宙由约138亿年前的奇点爆炸开始,爆炸的能量推动宇宙不断扩张,与引力抗衡,宛如一个气球被逐渐吹大。不同于气球的是,宇宙拥有自身的引力。随着扩张能量的耗尽,向内的引力将占据上风,最终导致宇宙坍缩至奇点。
相比前两种学说,真空衰变愈加受到科学家的关注。热寂或坍缩可能需要百亿年级的时间才会发生,而真空衰变则有可能在瞬间发生。某些科学家甚至推测,宇宙的某些区域可能已经开始了这种解体过程。
自从宇宙大爆炸那一刻起,经历了激烈的相变过程。引力、电磁力、强互作用力和弱互作用力是宇宙四大基本力量。爱因斯坦曾试图统一这些力量,却未能成功。这些力量在宇宙的起源时期曾经是一个整体,随后随着宇宙的膨胀和冷却而逐渐分离。
科学家利用粒子加速器,通过粒子的碰撞,模拟出早期宇宙的状态。在这些高能环境中,能够融合或再现电磁力和弱核力的分离过程。四大力量分离后,宇宙稳定地发展,形成了原子核和原子,继而结合成分子,其后恒星诞生又消亡,循环不息。相较于宇宙最初的微妙变化,接下来的漫长演变显得平淡无奇。
然而,宇宙的稳定可能只是表面现象。初始阶段的每一次“相变”均重新调整了宇宙的秩序,科学家通过研究发现,真空实际上并不稳定。
在科学上,只要气态空间的压强低于一定值就被认为是真空。事实是,即使移除所有实物,空间中仍然有电磁波和光子等非物质粒子,甚至在去掉这些后,空间中依旧存在着“真空能”。
了解宇宙的稳定性需要理解“相变”——快速而深刻的变化。比如水变成蒸汽或凝结成冰,都是物质状态的相变。宇宙的最后一次显著相变是在电磁力从弱核力中分离时发生的。
检测宇宙稳定性的一种方法是测量希格斯玻色子的质量,它是其他粒子的质量源头。在量子物理学中,质量越大的粒子越不稳定,容易衰变成轻粒子。因此,希格斯玻色子的质量决定了它的存在时间。科学家观察到希格斯玻色子处于一种不稳定但尚未崩溃的状态,称为“亚稳态”。一旦环境发生变化,可能导致快速衰变,引发新的宇宙相变。
相变开始后,会以光速向外扩散,所及之处的物理法则将完全不同,这将导致我们所知的宇宙不复存在。这种变化与小行星撞击或太阳消亡不同,因为此类灾难可以通过移居其他星系来规避,而真空衰变无可逃避。
尽管如此,这一理论是基于粒子为宇宙基本结构的假设。若宇宙由更加微小的振动弦组成,一切或许会截然不同。
在弦理论中,研究人员认为可以通过“非局部效应”预防相变的无限扩散。类似于量子纠缠,这种效应指的是无论距离多远,一个区域的变化都会影响到其他区域。
假如一个相变泡在时空中出现,非局部效应将使其边缘光滑化,导致泡消失。即便事件开始,若弦理论有效,它也能防止危及全宇宙。即便相变发生且弦理论错误,宇宙之大足以让我们有足够的时间去应对,或许人类消亡前,衰变都不会到达太阳系。