宇宙终结之大撕裂说

上节我们说到，质子是否会衰变这个问题事关宇宙热寂的方式。全世界有很多大型的实验装置都在试图寻找质子衰变的证据，然而，到目前为止，全世界没有任何一个实验室宣称找到了质子衰变的证据。不过，这还不能证明质子就一定不会衰变，很可能只是因为我们观察的时间还不够长，观察的对象还不够多，毕竟，质子衰变的概率实在太低太低了。

看一看

不过，不论质子是否衰变，宇宙从现在开始都要经历一个漫长的退化时代。在这个阶段中，虽然质子是稳定的，不会发生衰变。但是，宇宙中的恒星都会慢慢地燃烧殆尽，星系和恒星的形成逐渐减缓并完全停止。越大越亮的恒星燃烧得越快，太阳在银河系中算是一颗中等大小的明亮恒星，大约再过50亿年就会全部烧完。而像比邻星这样的红矮星，体积小，温度低，比太阳可以燃烧的时间要长得多，但总有一天，也是要耗尽燃料，直至枯竭的。

这个过程是不可逆的，因为宇宙中的总熵必须一直增大。尽管宇宙中的总能量是守恒的，但是在热力学第二定律的支配下，能量会趋向于均匀分布在宇宙空间中。恒星燃烧其实就是把能量以辐射的形式散布在宇宙中。

有些人可能听说过生命的本质是负熵，这就好像人可以通过打扫屋子把屋子从无序转变成有序。那么，有没有可能在生命的参与下，减少宇宙的总熵呢？很遗憾，这是不行的。其实，生命不但不能减少一个孤立系统中的熵值，反而只会加速熵的增加。

就以打扫屋子为例，虽然屋子的熵值变低了，但是从地球这个大环境来看，你打扫屋子的行为必定要消耗能量，从总体来看，你只会消耗更多的电力和体能，而不论是烧煤发电还是消化食物产生体能，都是在破坏某种有序结构。所以，生命的出现，其实是让大自然更高效率地消耗能量，我们每一个人其实都是加速宇宙走向热寂的帮凶。

随着时间的推进，质子是否会衰变就决定了宇宙走向热寂的不同方式。按照现在的某些理论假设，质子的半衰期大约是10 36 年，也就是说，在10 36 年之后，大约就会有一半的质子发生了衰变。等到了大约10 40 年之后，宇宙中所有的质子都会衰变完毕。到这个时候，宇宙中就再也找不到会发光的物质了，只剩下黑洞和质子衰变后产生的轻子。

宇宙也从退化时代进入了黑洞时代，这个时代要远远长于充满恒星的宇宙时代，百花盛开的宇宙只不过占到了黑洞时代的约0.0000…（60个0）1，这是一个小到了简直无法打比方的数字。但黑洞也不是永恒的，它依然无法逃脱热力学第二定律为它设定的命运，黑洞会慢慢地蒸发，最终以霍金辐射的形式将自身的质量一点点地还给宇宙。

当所有的黑洞都蒸发完毕后，宇宙就进入了真正的黑暗时代，虽然从宇宙大爆炸那一刻产生的光子依然游荡在宇宙空间中，但是，宇宙是无比黑暗的，因为这一点点的光子与如此巨大无比的宇宙空间相比，依然是不值一提的。

但此时，宇宙离最终的完全热平衡还差很远很远。大约会在10 1000 年以后，宇宙达到了完全的热平衡，也就是说，所有的光子和轻子在宇宙中均匀地分布，宇宙的熵达到了最大值。到了这个时候，我们才可以说，宇宙热寂了。那么宇宙热寂之后呢？之后是有之后还是从此再也没有之后了呢？目前的科学就只能到这里为止了。

如果质子衰变的假设是错误的，质子不会发生衰变，它会一直稳定地存在下去。那么，一个可能的结果就是宇宙中所有原子量小于铁的物质都会最终发生核聚变，变成铁原子。而所有原子量大于铁的原子都会最终衰变为铁原子。因为根据量子理论，铁的结合能是最小的，熵值是最大的。这个过程大约要经过10 1500 年才能最终完成。这也是宇宙的热寂，因为最终的目标依然是熵值最大。此时的宇宙，铁原子均匀分布在宇宙的所有空间中。冰冷的热力学第二定律依然死死地统治了整个宇宙。

关于宇宙热寂的假说一度统治着宇宙学，不同的宇宙学家只是在热寂的年代和方式上会产生分歧。不管怎么说，宇宙热寂需要的时间实在太长太长了，我建议你不用试图去想象我前面说到的那些时间跨度有多大，因为我保证，不论你有多么巨大的想象能力，也不论你把那些时间想象得有多久远，实际上，真实的时间跨度依然要远远大于你的想象。

但是，令人意想不到的是，当人类进入21世纪，在宇宙学上的一个意外发现，很可能让宇宙末日来临的时间大大地缩短了，这种缩短程度超乎想象，就好像把现在的整个可观宇宙一下子缩短到还没有一个原子那么大。这个意外发现到底是什么呢？

这就是我们之前已经详细讲过的暗能量，暗能量的出现，很有可能改变宇宙的最终命运。

2003年，距离暗能量的发现已经过去了四年，美国著名的达特茅斯学院的罗伯特·考德威尔仔细地计算着暗能量对宇宙的影响到底会是怎样。计算结果表明，如果暗能量产生的斥力与宇宙的平均能量密度的比值小于-1的话，那么很可能，暗能量的力量会无限增强下去，一直到把宇宙中所有的基本粒子都互相扯开为止。

考德威尔用了一个词来形容这种情况，英文是Big Rip，也就是——大撕裂，非常的形象。更加令人意想不到的是，根据考德威尔的计算，这个结局会到来得非常快，他的计算结果是在220亿年之后，宇宙就会被彻底撕裂了。所谓的彻底撕裂，就是每个基本粒子之间互相远离的速度都超过了光速，任何基本粒子之间永远也不再可能发生相互作用。

这个理论刚出来的时候，并未引起太大的反响，偶尔也会有一些科学家参与讨论，但反对的声音比较多。不过，大撕裂假说在2015年迎来了一个重量级的支持。这一年7月，在著名的《物理评论D》杂志上刊登了一篇论文，这是一本入选自然指数的期刊，在物理学界很有影响力。这篇论文的作者是美国范德比尔特大学的一组研究人员。他们建立了一个数学模型来计算宇宙加速膨胀的可能结果，该模型支持大撕裂假说。并且，这篇论文还回应了之前一些科学家对这个假说的质疑。

虽然大撕裂距今还有220亿年，并不会对我们的现在产生任何影响。但每每想到这种可怕的大撕裂的结局，我还是会不寒而栗，想想吧，每一个基本粒子互相远离的速度都大于光速，这个宇宙不可能再发生任何的变化，一切可能性都丧失了。但是，在人类没有彻底揭开暗物质和暗能量产生的根源之前，大撕裂仍然是一个建立在流沙上的城堡，可能说毁就毁了。

热寂假说和大撕裂假说是目前科学界有关宇宙末日最重要的两种假说，除此之外，还有一些其他假说。例如宇宙大塌缩假说，这种假说认为宇宙在膨胀到某一个临界值之后，就会开始收缩，宇宙将会从膨胀模式进入塌缩模式。这个假说曾经一度是主流的假说，但是随着暗能量的发现，这种假说也就失去了市场。但它并没有被彻底地否定，主要原因还是关于暗能量我们知道的太少了。

此外，还有一种很有趣的假说叫作大反弹，也就是说，宇宙就像一个反复被吹大又放气的气球，会不断地从小到大又从大到小，循环往复。

总之，我们的宇宙到底会走向何方，会以什么样的方式迎来末日，这些问题依然是宇宙未解之谜。但我想告诉大家，或许你今天晚上睡觉的时候，也会想出几个宇宙终结方式的猜想，但是，在我看来，我们普通人的这些猜想都是胡思乱想，而不是科学猜想。如果你真的对宇宙末日的问题感兴趣，最好的方法是从现在开始就学好数学和物理，等你能把科学家们现有的假说中那些数学公式都看懂了，再去提出自己的假说也不迟。

最后，这一节给大家准备了一个Discovery的小视频，听听专业人士对宇宙终结的看法，其中还有一个观点，想要弄懂宇宙终结，就必须先搞清大爆炸的原理，这是为什么呢？如果你有兴趣，在我的微信公众号“科学有故事”中，回复“宇宙终结”，就可以观看了。 Gdv0RNE5/xCUMy+SiwkNOvlUkJ4sI2Zl2AzGlvTLMhj8ViYEYuGcTfC+ZNU0FRW9