自约一百四十亿年前诞生宇宙的那次剧烈爆发, 物理学家称其为大爆炸起, 宇宙开始在膨胀中演化, 当初始的基本粒子凝成我们现今所见恒星、星系与宇宙网状结构, 然而如此宏大的物理系统会不会走向终结呢? 假设它会, 那又会以哪种方式结束?
天体物理学家经过外推当下观测数据之下, 描画住几种可能宇宙最终命运的图景。时下最被广泛认可的预判, 指向一则漫长而渐进的路径: 恒星逐个慢慢湮灭, 星系于独处里冷寂, 宇宙终究坠入那般被叫作“热寂”的黑暗永恒境地。这可不是动荡冲击性的毁灭, 乃是能源耗尽之后安宁的消亡。不过, 这一论断搭建在针对暗能量本质的预设上面, 并且暗能量始终算作当代物理学最深刻奥秘之一。
从观测到推断:外推法的局限性
预测宇宙未来要依赖某种叫作外推的办法, 也就是顺着现在以及过往的数据趋势推测未来的情况。这种办法在短的时间标度上相对更可信——天文学家绝对能算准下轮月食或者彗星的复现——但当打算推算数万亿年后的宇宙状况时, 不确定的地方骤升。密歇根州立大学的天体物理学家斯蒂芬·迪克比用一个形象比喻说穿此问题: 通过一个人五岁与七岁的照像, 能够有理推知他六岁时的样貌, 这便是插值；但极难预估他二十九岁时的长相, 由于或出现戴眼镜、身高骤增之类无法预料的变动。
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宇宙演化同样面临这种不可测性。我们明白人如何燃烧和死亡,识星系如何在引力作用下合并,但无法排除某些基性变化的可能。或许暗能量的性质会发生改变,或许会出现新的物理现象。尽管如此,基于当前物理学定律的外推仍然提供了最合理的预测框架。关键在于认识到这些预测的假设前提,并理解它们可能随着新发而修正。
关于恒星演化的物理学是相对明确的。恒星的寿命是取决于其质量的: 大质量蓝色的恒星温度极高, 核燃料消耗燃烧得很迅速, 寿命仅仅只有数百万到数千万年；中等质量的黄色恒星如太阳差不多可以燃烧约100亿年；而小质量的红矮星则极其节俭, 它的寿命也可以达数万亿年。太阳当前约已经有50亿岁了, 处于主序星阶段的中期, 还能够稳定地燃烧约50亿年。然后它将膨胀为红巨星, 吞掉内层行星, 最终抛射外层的物质形成行星状星云, 留下一颗白矮星缓慢地冷却着。
此宇宙当下中有仍旧多数星系在活跃构建形成新恒星, 但这过程并非永远能持续。新恒星形成需相当体量之气态星云絮集结群, 而这些气态星云要么被消耗转化变为恒星, 要么被星系形成时产生之气浪流及超新星爆炸之冲击波向外层吹散, 要么因内部粒子活动温度过高无法向内塌缩聚集为新恒星。倘若星系耗竭可供使用的气态星体质料, 星汇集成新恒星之流程运作就会终止停止, 在此之后, 体积大质量重呈蓝调之明亮恒星即会于数近百万年间以超新星之形态产生爆炸离散无形, 中等体积质量之中性色恒星即在数十亿年时长内完成自身之形体进化演变收尾结束, 最终仅仅余下寿命长度极其漫长之低亮度红矮恒星。根据维基百科关于遥远未来时间线的相关资料, 在距今约一万亿年之后——等同于当前宇宙之年龄的七十倍时期里, 所有形态恒星的形成过程将完全彻底地停止运行阶段, 自此浩瀚无垠的宇宙会正式迈入所定义的“简并时代”阶段, 宇宙中仅仅只会留存下诸如红矮星、白矮星、褐矮星这类的各类死气沉沉的天体残骸。
我们当前针对宇宙过往历程用到的理论里, 处于左边部分的是差不多将近140亿年前所发生的那一顿充满无穷威力的爆炸。这类有关宇宙构造以及其构成状况一切要素随着时间不间断往前流淌一直推移的具体全部情况全都发生了较为显著的变化。（NASA/WMAP科学团队）
在约10万亿年之后, 就算是最长寿的红矮星也会耗尽燃料, 宇宙会失去所有依靠核聚变发光的恒星。彼时夜空将不再有璀璨的星光, 取而代之的是白矮星、中子星, 与黑洞发出的微弱热辐射。这标志着"黑洞时代"的开启, 在这个漫长的阶段, 宇宙的主要天体将是各种质量的黑洞, 及其围绕它们运行的残骸。依据霍金辐射理论, 就算黑洞最终也会通过量子过程缓慢蒸发, 但这一过程极其漫长——一个太阳质量的黑洞完全蒸发需要约10的67次方年。
星系演化与宇宙膨胀的双重命运
星系并非静止的孤立系统, 乃是在引力作用之下不停演化, 小星系被大星系吞噬, 星系团里头的成员互相碰撞合并, 银河系和邻近的仙女座星系正凭每小时上百万公里的速度互相靠拢, 预计在差不多40亿年后发生碰撞, 这场碰撞不会使得恒星直接相撞——恒星之间的间距太大, 哪怕处在密集的星系核心, 恒星碰撞的概率也微乎其微——可两个星系的引力互相作用会彻底改变它们的结构。
凭借作者五岁时与七岁时的照片, 你能推断出他六岁期间的样貌, 然而你却绝对无法预测作者29岁之际的模样。
模拟算机根据, 银河系与仙女座的碰撞将持续数十亿年。初始, 星系两个会互相穿过, 恒星星潮汐力甩出太空形成长长的尾巴。之后它们会再度靠近, 经历第二、第三次穿越, 次次都亏损角动量和能量。最终, 约在70亿年后, 旋涡星系两个将聚成一个巨大的椭圆星系, 家文学家有天文学之时叫为“银河仙女座星系”或“米尔科美达星系”。在此之中, 猛烈的引力扰动会触发最后一波恒星创生, 但亦会快速耗竭残余气态, 后续这个交缠星系将成为一具“僵死星系”, 不再产出新恒星。
这种星系合并的现象在整个囊括众生的宇宙之中普遍发生。哈勃太空望远镜还有詹姆斯·韦布空间望远镜望远镜观测到了各种不同演化阶段不同进程的星系之间的各类碰撞。随着渐渐演变的时间不断流逝推移变化, 宇宙之中在原本应该呈现特定结构状态的有序旋涡星系的数量会慢慢减少, 那种无规则无定形松散的椭圆星系的数量却会暗中日益增加。每个属于不同规模层级的星系群或星系团最终必然将合并演变聚合, 变成一个极为巨大的成熟椭圆星系, 这个巨大椭圆星系内部会被充满了那些年老、泛红发红色彩、正处于逐渐温和冷却变化状态中的各类恒星构成。
星系演化并非孤立开展，但它与宇宙全体的膨胀密切相联；1998年的超新星观测发觉宇宙不尽在膨胀甚至膨胀速度在加速, 这一发觉为两位科学家博得了二〇一一年诺贝尔物理学奖。为了加速这种膨胀情况, 物理学家引入了“暗能量”这一概念——一种填满空间的奥妙能量状态, 发生排斥性的引力效应；暗能量占宇宙总能量密相对的大概百分之六十八, 远胜通常物质与暗物质的总和。
红矮星是类型寿命最长的恒星类型。一旦宇宙中形成恒星停止, 最终只会剩下红矮星, 这类红矮星会在数万亿年的时间尺度区间里一点一点黯淡消逝。（NASA/ESA/STScI/G. Bacon）
暗能量之存在全然改易了宇宙的终极归宿。倘无暗能量情况下的宇宙未来是否如何全看宇宙的几何架构与它的物质密度的怎样: 如果物质堆集的密度是着实足以够高的话, 则引力终将终于会休止膨胀且致使于收缩坍圯, 宇宙将于所谓的“大坍缩”之中趋于终结消亡；倘物质堆集的密恰到好处等于那种可能有的临界值的话, 则膨胀定会缓慢逐步地减速却绝对不会停止；倘若物资堆集的密度是低于那临界值的, 则膨胀之事定会永存不过它的速度是会倾向于趋于常数的。而暗能量的存在它恰恰说的便是宇宙将它会不间断的越发加速度膨脱, “大坍缩”这种可能性它已全被全然排除掉啦。
加速膨胀的长期后果最为深远: 各星系彼此间的距离正以超光速程度延伸——此类情形不违背相对论, 缘由恰是空间本身在发生膨胀, 而非物体径直在空间内进行运动。约摸整整一万亿年之后, 唯有借助引力紧密束缚方能联为一体的本星系群所有成员之外, 其余所有星系都无一例外会因退行速度凌驾于光速之上, 进而永久性消逝在宇宙学视界的边界之外；届时未来纪元里的观测者, 将会置身于一个孤寂清冷的宇宙当中展开活动, 其抬头望向夜空之际, 能目及的唯有本星系群相互合并后造就出的巨型椭圆星系, 一切其他星系皆已隐遁沉没在那彻底无法观测到的幽暗虚空之中。
热寂、大撕裂与其他可能性
暗能量的密度若持续保持恒定—— 作为目前最为简约朴素的一种假定,与爱因斯坦场方程之内置入的宇宙学常数形成对应联贯——宇宙终将趋近到“热寂”之境。该种核心概念萌发自十九世纪之热力学领域,由物理学家威廉·汤姆森这位来自英国的开拓者所建构推进。热寂所刻画描摹的乃是那种演化至熵量抵达最大化峰值的状况形构:所有曾可利用耗取之有用能量已被彻底耗尽消解殆尽,各处温度达成全面均一均衡之态,不复存有一丝一毫能量梯度可言去驾驭催发任何一种变化发展过程。在此类该种状况形构当中,既无恒星正处于燃烧的活跃阶段,也无黑洞行使吸积的作用机制,甚至就连基本的粒子运动也未必能形成可供分辨感知的温度差值差异。整个宇宙成为了一片处处都接近绝对零度的虚空,充斥其间的有那稀薄得几乎看不见连触碰都无法感知光子气体还连带着数量极少难以计数的基础微粒子。
当恒星形成停止, 合并成巨大椭圆星系后的星系, 在宇宙发生膨胀的状况下, 已无法被观测的或成为其他星系? 这样的情况, 也会发生在数万亿年的时长里, 那样的时间里夜晚的天空的景象, 会如此这般: 一个只有着单一红色的椭圆星系。（NASA；ESA；STScI 的 Z. Levay 和 R. van der Marel；T. ；以及 A.）
但如果暗能量的密度随时间增加会如何呢呀? 这类情况对应叫"幻影能量"的能量模型,将致使叫"大撕裂"的运数命运。在此场景内容中,排斥互相作用力会愈来愈越来越强,最后强到足不能够战胜并全部其它全部基本互相作用力。第一, 星系集合团会被拉抽丝；以后是单个孤单宇宙里的单位星系；接着, 是庞大的恒星形成的恒星系统；最后是行星的星球、原子的粒子、甚至是极其微小的亚原子粒子都都会在膨胀不休扩展的空间中被拉抽丝得没法稳定存在。国家航天局的祖国科普文里说过, 如果叫大撕裂的现象出现, 时空的自己的构造能够在有限的时间到达奇点, 这会被一些科学理论研究的家儿尊称为宇宙是真实确实真正意义和内容上的结束毁灭。依照相关模型, 大撕裂大约在二百二十亿年以后将会发生——还是长久的未来啊, 但就宇宙学的时间尺度而言算比较近。
还有其他更加奇特的可能性"大冻结"理论觉得, 伴着宇宙膨胀, 温度便一个劲降低, 最终逼近但永远达不到绝对零度"真空衰变"假说提起, 俺们这宇宙也许处于亚稳态, 量子涨落兴许触发烧穿, 把真空转变成为更低能量状态, 这一穿迁便以光速朝外散播, 完全变化物理规则。“共形循环宇宙学”就是由英国物理学家罗杰·彭罗斯所提出的激进理论, 此“热寂”之后的宇宙, 在所有所有所有物质全都衰变成光子时, 因光子并不经历“时间”, 这宇宙或是能重新启动成为全新的大爆炸, 并开启新一轮的一个循环。
每一種的理論都基於的, 種對基礎物理學的互殊不同假設, 這種種假設目前難以透過的實驗直接的驗證無法。暗能量的本質還保持著完全未知狀態的, 它也許是一種的宇宙學常數, 還有可能是處於靜動變化動態的標量場, 或者是需要修正調整對於整個的廣義相對論。中科院國學的天體物理的學者張三表示説: 「由於暗能量完全的本質屬性尚且還沒有能夠所發現, 因此此所謂的宇宙未來的命運, 也許是所謂的大撕裂的情況, 也可能出現所謂的大凍結的狀況, 但同樣很有可能在經歷過一段時期的加速膨脹之後, 才又會進一步轉變成為某種形式的減速膨脹狀態的那樣狀況。」這樣這類不確定特徵, 代表還意味著我們對於這一個宇宙根本的終極的未來走向的理解認識, 也就依舊維持在程度上相對初步的階段。
从人类的视角来看, 那些宇宙学的时间维度基本没法让人想象。就算依照最不冒进的预估, 宇宙的“结局”——不管以啥形式——也在数万亿年以后, 是当下宇宙时长的好多倍。在那么漫长的时间跨越内, 诸多没法预见的事物或许发生。或许才智文明能进步出操控时空间的技能, 也许会找到联通别的宇宙的路径, 或许物理科学自身会迎来咱们如今没法设想的改造。就像中古时期的学者没法预见量子力学和相对论那般, 咱们对将来的臆想一定受限于当下的学识框架。
但这种不确定性不该被看作无知的标识, 而应被算作科学的本质。每一代科学家都在更臻完善的理论和更精密精准的观测基础上修正对宇宙的理解认知。我们今日关于宇宙命运前途的讨论认识, 建立扎根在对数十亿光年以外恒星系星系的精密精准的观测探究、对基础基本粒子行为的深刻深度理解剖析以及对准时间和空间时空几何学数学描述描述之上基础上。这些相关知识知识本身就是对人类智力能力进展的巨大高大成就是就是伟大突出成果。就像迪克比所说, 我们处于宇宙历史里头一个“极为激动人心的时段: 正处于宇宙的初始阶段, 一个满是叫人兴奋的恒星与星系等着观测的时段”。在遥远未来的某个节点, 大概不会再有恒星点亮夜空, 可在这之前, 宇宙仍会为充满好奇心的智慧生命体, 提供数十亿年的探索余地。