美科學(xué)家預(yù)測(cè)宇宙將在50億年內(nèi)走向滅亡

這是哈勃天文望遠(yuǎn)鏡拍攝的“貓眼”星云，我們的太陽死亡時(shí)看上去可能就是這個(gè)樣子。(圖片提供：NASA/ESA)

 

新浪環(huán)球地理訊 北京時(shí)間11月1日消息，據(jù)美國國家地理網(wǎng)報(bào)道，宇宙已經(jīng)存在了近140億年，大多數(shù)人認(rèn)為，宇宙還應(yīng)該會(huì)繼續(xù)存在數(shù)十億年。不過，據(jù)最新一項(xiàng)研究，一種涉及宇宙起源的理論預(yù)測(cè)，時(shí)間本身會(huì)在50億年內(nèi)結(jié)束，而巧合的是，太陽大概也會(huì)在相同的時(shí)間段內(nèi)走向滅亡。

宇宙之外還有宇宙

這一預(yù)測(cè)源于“永久膨脹”(eternal inflation)理論。該理論宣稱我們的宇宙屬于“平行宇宙”(亦稱多重宇宙論)體系的一部分。這個(gè)體系由無數(shù)個(gè)宇宙構(gòu)成，每一個(gè)又包含無數(shù)個(gè)更小的宇宙。平行宇宙理論的問題在于，可以發(fā)生的一切事件都會(huì)在無限的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，這使得計(jì)算事件的概率(如類地行星常見的概率)看似不可能。

美國塔夫斯大學(xué)科學(xué)家肯·奧盧姆(Ken Olum)說：“正常的概率概念是，事件A發(fā)生兩次，事件B發(fā)生四次，所以，事件B發(fā)生的頻率可能是事件A的兩倍，但是，這種概念如今不起作用了，因?yàn)椴皇莾蓚€(gè)和四個(gè)，而是無限個(gè)?！眾W盧姆沒有參加最新研究。計(jì)算平行宇宙的概率不僅僅是宇宙學(xué)家面臨的問題。

美國加州大學(xué)伯克利分校理論物理學(xué)家拉法爾·布索(Raphael Bousso)和同事在最新的研究報(bào)告中寫道：“如果整個(gè)宇宙的許多觀測(cè)者無數(shù)次中過彩票，仍然有人說中彩票是不可能的事情，那么他們的依據(jù)又是什么呢？”物理學(xué)家多年來一直通過一種名為“幾何截點(diǎn)”(geometric cutoff)的數(shù)學(xué)方法來盡量回避這個(gè)問題。

所謂“幾何截點(diǎn)”是指，以平行宇宙的有限區(qū)域?yàn)槔?，?jì)算基于那種有限樣本的概率。不過，在9月份發(fā)表于康奈爾大學(xué)網(wǎng)站arXiv.org上的新論文中，布索的研究團(tuán)隊(duì)指出，這種方法是無意識(shí)的，在此之前總是忽視后果。布索說：“你不能將截點(diǎn)作為不留任何痕跡的數(shù)學(xué)工具，給予你這些滿意、可能正確的預(yù)測(cè)的相同截點(diǎn)，也可以預(yù)測(cè)時(shí)間的盡頭。”

“換言之，如果你采用截點(diǎn)法去計(jì)算永遠(yuǎn)膨脹的概率，截點(diǎn)本身以及時(shí)間的盡頭就成了一個(gè)可以發(fā)生的事件?！彪m然這種理論十分奇怪，但布索和同事認(rèn)為，永久膨脹是一個(gè)可靠的概念。布索說，根據(jù)這一理論做出的大多數(shù)科學(xué)猜測(cè)(如愛因斯坦的相對(duì)論)都沒有遇到太大挑戰(zhàn)，很難理解有什么理論可以替代它們。

膨脹理論的自然延伸

實(shí)際上，許多物理學(xué)家都認(rèn)為，永久膨脹是膨脹理論的自然延伸，膨脹理論曾經(jīng)揭開了與宇宙大爆炸理論初始版本有關(guān)的一些謎團(tuán)。根據(jù)宇宙大爆炸最初的模型預(yù)測(cè)，如今處于宇宙遠(yuǎn)端兩個(gè)不同方向的一組組物質(zhì)相距太遠(yuǎn)，導(dǎo)致相互之間不能接觸。這意味著，早期宇宙的外形應(yīng)該屬于塊狀。

此外，根據(jù)我們所處宇宙現(xiàn)在的膨脹速度，其整體外形應(yīng)該隨時(shí)間變成弧形。同時(shí)，造物的最初瞬間應(yīng)該令宇宙充滿了稱為磁單極子的穩(wěn)定重粒子。然而，過去幾年對(duì)宇宙大爆炸輻射物殘骸的觀測(cè)卻得出一個(gè)截然相反的結(jié)論：早期宇宙狀態(tài)始終如一，當(dāng)前宇宙外形是扁平的，對(duì)磁單極子的觀測(cè)從來都不具有決定性。

傳統(tǒng)膨脹理論的解釋是，宇宙在誕生后不久經(jīng)歷了急速膨脹期，最終產(chǎn)生了一個(gè)今天我們所看到的扁平、整體上一致的宇宙。永久膨脹是膨脹理論的下一個(gè)階段，它使得科學(xué)家可以避開其他一些棘手的宇宙學(xué)問題，例如在我們的宇宙存在以前還有什么(答案是其他宇宙)，我們的宇宙為何具有適于生命存在的特性(答案是一切皆有可能)。

澳大利亞國立大學(xué)天體物理學(xué)家查爾斯·林尼韋弗(Charles Lineweaver)說：“雖然沒有一種理論去解釋宇宙的最早期狀態(tài)，但我們對(duì)這種理論的基礎(chǔ)具有相當(dāng)深刻的認(rèn)識(shí)，這些認(rèn)識(shí)似乎無一例外包括其他宇宙?！绷帜犴f弗沒有參加布索團(tuán)隊(duì)的研究。林尼韋弗說：“舉例說，我們的理論假設(shè)一個(gè)沸騰熱水壺的存在，而我們的宇宙就源于熱水壺底的一個(gè)水泡。這一理論充分說明其他水泡的存在，因?yàn)楫?dāng)開水煮沸時(shí)，從來不是只有一個(gè)水泡。”

50億年內(nèi)到達(dá)“截點(diǎn)”

正如平行宇宙中概率所固有的問題，永久膨脹論仍難稱完美。據(jù)布索介紹，如果這些概率在一個(gè)平行宇宙中起作用，那一定是實(shí)實(shí)在在的截點(diǎn)令各個(gè)宇宙走向結(jié)束。布索的研究團(tuán)隊(duì)稱，根據(jù)用于計(jì)算截點(diǎn)的方程式，一個(gè)擁有137億年歷史的宇宙將在50億年內(nèi)到達(dá)“截點(diǎn)”。對(duì)于大多數(shù)人來說，用數(shù)學(xué)工具去解釋現(xiàn)實(shí)世界發(fā)生事件的觀點(diǎn)，或許聽上去有些奇怪，但在物理學(xué)領(lǐng)域這些事情都有其先例。

奧盧姆舉例說，曾經(jīng)有一段時(shí)間，許多物理學(xué)家堅(jiān)持一種概念，即質(zhì)子——具有正電荷的亞原子粒子——本身是由稱為夸克的更小粒子構(gòu)成的。從數(shù)學(xué)上講，夸克有助于解釋原子核中所謂的強(qiáng)作用力，而在現(xiàn)實(shí)世界中，它們則有助于解釋發(fā)現(xiàn)于加速器中的奇異粒子“動(dòng)物園”。奧盧姆說：“人們?cè)f，這種質(zhì)子中存在粒子的看法永遠(yuǎn)站不住腳。長期以來，人們認(rèn)為夸克僅僅是一種有用的計(jì)算工具，但他們確實(shí)不相信夸克。今天，每個(gè)人都認(rèn)為夸克是真正的基本粒子?！?/p>

布索和同事指出，同理，如果理論家相信永久膨脹理論，他們有兩種選擇，要么必須相信截點(diǎn)不是計(jì)算概率的有效方法，要么相信截點(diǎn)是真實(shí)發(fā)生的事件，可以預(yù)測(cè)時(shí)間的盡頭。布索的研究小組表示，現(xiàn)實(shí)世界的截點(diǎn)形態(tài)以及時(shí)間盡頭的構(gòu)成方式，目前都是未解之謎。如果真實(shí)存在，可能也是突然發(fā)生、難以預(yù)料的事件。即便人類將來可以看到截點(diǎn)，我們也幾乎肯定從地球上看不到。

科學(xué)家認(rèn)為，太陽(如今是一顆具有45.7億年歷史的“中年”恒星)將在大約50億年內(nèi)步入生命盡頭。到那時(shí)，太陽將耗盡核心的燃料，開始褪下氣體外層，慢慢膨脹變成紅巨星，最終成了一個(gè)行星狀星云。在這一事件中，地球會(huì)遭遇怎樣的命運(yùn)尚不得而知，但鮮有科學(xué)家認(rèn)為地球生命會(huì)在太陽死亡事件中幸存下來。

宇宙終結(jié)存在諸多猜想

雖然澳大利亞國立大學(xué)天體物理學(xué)家林尼韋弗也認(rèn)為，計(jì)算永久性平行宇宙的概率存在重重障礙，但他并不認(rèn)為預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)世界的截點(diǎn)是解決問題的辦法。林尼韋弗說：“我從不完全排除任何事件的可能性，但我不會(huì)認(rèn)真看待這個(gè)觀點(diǎn)。相反，我會(huì)更為嚴(yán)肅地對(duì)永久膨脹理論背后的種種猜測(cè)提出質(zhì)疑?！?/p>

奧盧姆也認(rèn)為，物理學(xué)家不應(yīng)接受這樣一種觀點(diǎn)，即時(shí)間走向結(jié)束是不可避免的。他說：“沒人清楚永久膨脹為何是錯(cuò)誤的，同時(shí)也沒人清楚為何時(shí)間也會(huì)走向結(jié)束。對(duì)我來說，這些事情都處于同一起跑線上?！背伺蛎浾摚钪嫒绾谓K結(jié)在物理學(xué)上還具有其他許多的理論。

例如，按照“大坍縮”(big crunch)理論，宇宙當(dāng)前的膨脹趨勢(shì)會(huì)顛倒，最終縮小變成一個(gè)黑洞。另外還有“熱寂”(heat death)理論，即宇宙會(huì)永遠(yuǎn)膨脹下去，直至到達(dá)一種熱平衡狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，任何事情都不能發(fā)生。除此之外，還有一種稱為“大裂口”(big rip)的理論，根據(jù)這一理論，宇宙的加速膨脹最終會(huì)將所有物質(zhì)一個(gè)原子接一個(gè)原子地撕裂。

如果永久膨脹理論被證實(shí)是正確的，那么即便在我們的宇宙停止運(yùn)轉(zhuǎn)之時(shí)，更大的平行宇宙的運(yùn)轉(zhuǎn)仍會(huì)繼續(xù)。奧盧姆指出，無論哪種假想理論最為可信，“都沒有必要去推銷你的觀點(diǎn)，因?yàn)橛钪鎸⒃?0億年內(nèi)走向滅亡。不管怎樣，我們還有足夠的時(shí)間去找出真正的答案?！?/p>