我们宇宙的未来——它将如何终结

如果数学宇宙假说是正确的,那么总体来说,我们物理实在的未来并没有太多东西可以说——由于它存在于时间和空间之外,它终结或消逝的方式与它创生和变化的方式并没什么不同。但是,如果我们拉近镜头,仔细观察我们栖居的这个包含时间和空间的数学结构,那么一切就会变得更加有趣。在我们这里,万事万物仿佛是在我们这样的观察者的着眼点上展开,所以我们自然而然地想知道最终会发生什么。

那么,数十亿年之后,我们的宇宙将如何终结?对这个即将到来的宇宙末日,我有5个主要的猜想,都画在图12-2中了,并在表12-1中进行了总结——大冷寂、大挤压、大撕裂、大断裂和死亡泡泡。

图12-2 我们知道,我们的宇宙开始于140亿年前的一场炙热的大爆炸,它先膨胀,然后冷却,将它的粒子变为原子、星星和星系。但是我们并不知道它的终极命运。人们提出的终极情景包括大冷寂(永远膨胀)、大挤压(再次坍缩)、大撕裂(无穷大的膨胀率将万物撕裂)、大断裂(空间被拉伸过多时,它的结构展现出了致命的颗粒性质)和死亡泡泡(空间“冷冻”入致命的泡泡中,并以光速膨胀)。

表12-1 空间在5种宇宙末日情景中的不同未来

我们的宇宙已经膨胀了约140亿年。大冷寂是指我们的宇宙将永远膨胀下去,稀释为一个冷寂黑暗、最终死亡的地方。这让我想到艾略特所说的:“这就是世界完结的方式,不是砰的一声垮掉,而是轻轻啜泣着消亡。”如果你像罗伯特·弗罗斯特(Robert Frost)一样,更喜欢世界终结于烈火中而非冰冻中,那么请双手合十,祈祷大挤压的出现吧。在大挤压中,宇宙膨胀最终将反向进行,万事万物被再次压缩在一起,导致灾难性的坍缩,很像大爆炸的倒播。而大撕裂在无耐心的人眼里与大冷寂十分相似,在其中,我们的星系、行星甚至原子都将在有限时间后的一场终曲中被撕裂。

这三个结局,你会赌哪一个发生呢?这将取决于暗能量随空间膨胀将发生什么事。我们在第3章曾提到过,暗能量占宇宙质量的约70%。如果暗能量保持不变,那将发生大冷寂;如果暗能量稀释为负密度,将发生大挤压;如果暗能量“反”稀释为更高的密度,将发生大撕裂。

由于我们尚不知道暗能量究竟是什么东西,我只能告诉你,我的赌注是这样的:40%赌大冷寂,9%赌大挤压,1%赌大撕裂。另外50%呢?我要把钱存起来,投注给“以上皆非”选项,因为我认为人类应当更加谦卑地意识到,还有许多基本的东西是我们所不了解的,例如空间的本质。大冷寂、大挤压和大撕裂的结局,都事先假定了空间本身是稳定的,并且能够被无限拉伸。

我们曾经认为,空间处在一个无聊的稳定状态,宇宙的戏剧在其中徐徐展开。然后,爱因斯坦告诉我们,空间并不只是这场戏剧的舞台,它也是其中的重要演员——它能弯曲成黑洞,能荡漾出引力波,能拉伸为一个膨胀的宇宙。也许,它还能像水一样冷冻为另一个不同的相,在其中产生出致命的高速膨胀泡泡(见第5章)。这些泡泡都是新的相,为我们提供了一个新的宇宙末日候选者。我们还曾经认为,如果空间不与其他东西相互远去,就无法创造出更多空间。

然而,爱因斯坦的引力理论讲述了一个完全相反的故事(见第2章):在星系之间的某个区域内,能够产生出更多的空间体积,而不需要将新产生的体积膨胀入其他区域——新的体积还是待在原来的星系之间。此外,爱因斯坦的理论还说,空间的拉伸可以永恒持续下去,这样,在大冷寂和大挤压的情景中,我们宇宙的体积就会接近无限大。这听起来好得令人难以置信,不禁让人怀疑:真是这样吗?

橡皮筋看起来很不错,具有连续性,就像空间一样。但是假如你把它拉伸得过多,它就会断裂。为什么?因为它是由原子组成的,如果拉伸得太多,橡皮筋原子的颗粒性质就变得重要起来。有没有可能,在人类无法企及的微小尺度上,空间也具有类似的颗粒性呢?数学家喜欢用理想的连续统来模拟空间,不采用任何颗粒性,因此无论距离多么小,都是有意义的。在MIT的大多数物理课上,我们也使用着同样的连续统空间模型,但是,它真的正确吗?肯定不正确!事实上,反对它的证据越来越多(见第10章)。在一个简单的连续空间中,你需要写下一个数位无限多的数字,才能确定两个任意点之间的距离,但是物理学巨擘约翰·惠勒告诉我们,量子效应或许会让小数点后34位之后失去意义,因为我们整个经典的空间概念在小尺度上会崩溃,也许是被一个奇怪的泡泡结构所取代了。这有点像你在计算机屏幕上不断放大一张照片,就会发现原本看起来光滑而连续的画面实际上变成了颗粒状,就像橡皮筋一样,只不过照片中不可细分的组成单元是像素(见图10-3)。

由于照片是由像素组成的,它只包含着有限量的信息,并能很方便地在互联网上传输。同样地,越来越多的证据表明,我们的可观测宇宙也只包含着有限量的信息,让我们更容易理解大自然如何计算下一步要做什么。全息原理指出,我们的宇宙最多包含着10¹²⁴比特的信息(见第5章)。算下来,平均每个原子的体积中可以

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