宇宙的終極奔向....
宇宙的終極命運是物理宇宙學中一個主要的議題。許多科學理論都對宇宙的命運做出預測並成為競爭的對手,包括未來與時間是有限還是無限。
自從宇宙起源於大爆炸並經歷暴脹的概念為大多數科學家接受之後,宇宙的終極命運就成為宇宙論可以探討的問題,取決於物理上的性質:在宇宙中的品質/能量,它們的平均密度和膨脹速度。
在阿爾伯特·愛因斯坦於1916年提出廣義相對論之後,宇宙的終極命運在科學上成為能夠探討的問題,可以用廣義相對論來描述有最大規模的宇宙尺度。廣義相對論的方程是有許多不同的解,每個解都意味著一種可能的宇宙終極命運。 亞歷山大·弗裏德曼在1922年就提出了一些如同喬治·勒梅特在1927年提出的解。其中有一些宇宙最初是從奇點開始膨脹,基本上,這就是大爆炸。
在1931年,愛德溫·哈伯出版他研究的結論:根據他對遙遠星系造父變星的觀測,宇宙是膨脹的。此後,宇宙的開始和它可能得結束就成為科學研究的重要議題。
在1927年,喬治·勒梅特提出以後被稱為大爆炸的宇宙起源理論。在1948年,弗雷德·霍伊爾提出了反對的穩態理論,認為宇宙在統計上是穩定不變的,但是不斷的有新物質被穩定的創造而擴大。這兩個理論都有積極的贊同者,直到1965年阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜發現宇宙微波背景輻射,這是大爆炸理論預測的一個事實,並且是穩態理論所無法解釋的。結果,大爆炸理論很快就成為宇宙起源最普遍被接受和持有的觀點。
根據天文觀測和宇宙學理論,可以對可觀測宇宙未來的演化作出預言。均勻各向同性的宇宙的膨脹滿足弗裏德曼方程。多年來,人們認為,根據這一方程,物質的引力會導致宇宙的膨脹減速。宇宙的最終命運決定於物質的多少:如果物質密度超過臨界密度,宇宙的膨脹最後會停止,並逆轉為收縮,最終形成與大爆炸相對的一個“大擠壓”(big crunch);如果物質密度等於或低於臨界密度,則宇宙會一直膨脹下去。另外,宇宙的幾何形狀也與密度有關:如果密度大於臨界密度,宇宙的幾何應該是封閉的;如果密度等於臨界密度,宇宙的幾何是平直的;如果宇宙的密度小於臨界密度,宇宙的幾何是開放的。並且,宇宙的膨脹總是減速的。
研究宇宙的本質與未來命運:已經很多年了,描述宇宙的科學模型都會將宇宙的亞穩定性(metastability)納入考量,也就是說,宇宙很可能擁有很長的壽命,但並不是完全穩定,空間某些區域可能在未來某個時刻被摧毀,因此倒塌成為一種更加穩定的真空態。假若能夠更準確地知道希格斯玻色子與頂誇克的品質,假若標準模型能夠正確地描述粒子的物理行為甚至到普朗刻尺度的極端能量,則對於宇宙的現有真空態是否穩定,還是只是壽長這問題,可以通過仔細分析得到答案。(有時候,這會被誤報為“希格斯玻色子終結了宇宙”。)。品質大約在125 – 127 GeV值域內的希格斯玻色子似乎非常接近分割穩定區域與亞穩定區域的邊界。更明確答案仍需等待更準確地測量頂誇克的極點品質(pole mass)。
假若測量結果建議,宇宙的真空是一種假真空(false vacuum),則這意味著當今宇宙的作用力、粒子、架構可能不再存在,在幾十億年之後,可能會被另外一種宇宙全盤替代,假若它能夠成核。準確測量頂誇克品質可能需要新一代高端精密的正負電子對撞機。
有物理宇宙學家指出,膨脹宇宙的未來很可能會為繼續膨脹。若果事實如此,宇宙將因其膨脹而繼續冷卻,並會達到並不足以支援生命的溫度。因此,膨脹宇宙的未來又稱為大凍結。
膨脹宇宙的未來將會是蒼涼的。若根據宇宙學常數加速了宇宙的膨脹,星系間的距離將會持續增加。紅移將會被拉長,到達的光子將會是長波長和低能量的光子。恒星的形成仍會維持於1×1012至1×1014年,但形成恒星的氣體將會耗盡。當最後一顆恒星用完其燃料後,宇宙將不可能再支持生命及產生足夠熱量。§IID, 根據預測質子衰變的理論,恒星殘餘物將會消失,剩下的將會只是黑洞,而黑洞亦會因放出霍金輻射而慢慢消失。最終,若果宇宙溫度達到一個均勻溫度,那麼再沒有活動能在宇宙中作出,從而導致宇宙熱寂。 屆時,宇宙將會空無一切,且毫無生機。溫度亦會持續下降。
其他宇宙的未來有很多可能性,而這些主要有3種:持續膨脹、停止膨脹和收縮。
宇宙若無足夠能量,將會停止膨脹。停止膨脹將會是最理想的環境,宇宙溫度適中之餘,亦有足夠資源支持恒星形成,甚至生命。
宇宙終究是會繼續膨脹的, 由於星系間並無回返的引力作用, 膨脹擴張是不會停止的。當然恒星的能量也會耗盡成為黑洞。
有些宇宙膨脹到某一階段,將會停止膨脹並反過來收縮。收縮將會縮小各星系間的距離,令宇宙溫度上升,並最後導致大壓縮,大爆炸的相反。但這樣可能形成一個新的宇宙。
大撕裂是一種宇宙論假說,在2003年首度被發佈,關於宇宙的終極命運,假說中認為宇宙中的物質,從恒星和星系到原子和次原子粒子,在有限時間的未來會因為宇宙的膨漲進一步的被撕裂。理論上,宇宙的尺度因素在未來有限的時間會變得無限大。
這個假說對宇宙中暗物質的類型有著極度關鍵的依賴性。關鍵的數值是狀態方程w,暗能量壓力和能量密度之間的比例。當w<-1,宇宙最終將因拉扯而分裂,這種能量稱為幻能量,精質的一種極端形式。
在以幻能量為主導的宇宙中,宇宙中的"絲狀結構"會以前所未有的比率增加。然而,這也暗示可觀測宇宙的大小是持續的退縮中;無論是多麼的接近邊緣,可觀測宇宙的距離都是以光速遠離的那些地點。當可觀測宇宙小於任何一種的基本粒子時,無論是重力或電磁力(無論是弱或強),即使在結構上能達到的最遠處也沒有交互作用存在,並且它們將被剝離開。
首先,星系將彼此遠離。值得爭議的是已經移動至可觀測宇宙之外的星系(估計在465億光年之遙),目前發生了什麼事。大約在結束之前的6000萬年,重力將減弱至無法將銀河和其他個別的星系聯繫在一起。在結束之前的三個月,太陽系將不再受到重力的束縛。在最後的三十分鐘,恒星和行星都將被扯散掉,而在最後的瞬間,原子也會被摧毀。
這個假說的創造者,達特茅斯學院的領導者羅伯特·考德威爾,計算認為宇宙的末日約在從現在起之後的500億年。
地球的未來可以由幾個地球長期的轉變估計,包括地球表面的化學狀態、地球內部冷卻的速度、地球與其他太陽系行星的攝動,以及太陽光度穩定的增長。這個估計當中有一個不明朗的因素,在於人類科技的發展對於地球所作的持續變化,包括可以對地球造成明顯變化的地質工程。 目前的生態危機主要是由人類科技發展導致,而其影響可能會持續長達500萬年。科技發展亦可能導致人類滅絕,使地球回復到緩慢的進化步伐及長期的自然過程。
在數以億年計的時間尺度,隨機的天體事件可以對全球性生物圈帶來威脅,這可能會導致物種大滅絕。這些天體事件包括100光年內的超新星爆發,直徑為5-10公里(3.1〜6.2英里)以上的彗星或小行星。其他大型地質事件更具可預測性。如果忽略全球暖化的長期影響,米蘭科維奇迴圈估計地球將會繼續處於冰期至少到第四紀冰河時期結束。這是由地球軌道的離心,轉軸傾角及進動現象的因素導致。隨著超大陸旋回的進行, 地球板塊將可能在2.5至3.5億年間形成一個超大陸。在15至45億年後, 地球的轉軸傾角可能出現最多90度的變化。
在未來40億年中,太陽的光度會持續增加,令抵達地球表面的太陽輻射亦持續上升。這樣會令矽酸鹽的風化作用加速,並使地球大氣的二氧化碳濃度下降。在6億年內,大氣中二氧化碳的濃度將低於維持C3類植物光合作用所需的水準。 C4類植物雖然能在二氧化碳濃度低至百萬分之十的環境下生存,但長期來說地球的植物是趨向滅亡,而動物也會因欠缺氧氣的補充在數百萬年後滅種。
在11億年後,太陽光度將高於目前10%。 這足以令大氣層成為“溫室”,使海水大量蒸發,而板塊構造很可能到此結束。然後,地球的核心發電效應也會消失,令大氣的磁層衰減,大氣外層的揮發性物質會加速散失。40億年後,上升的地球氣溫會引發逃逸溫室效應,至此幾乎所有生物也會滅絕。地球最有可能的命運是,75億年後進入紅巨星階段的太陽膨脹到地球的軌道,並把地球吸收。
人類活動的影響
人類對地球生物圈有關鍵影響,其龐大的人口主導著地球上許多生態系統。現階段人類活動已經產生了地球表面顯著的變化。超過三分之一的土地面積被人類改動,並使用了全球約20%的初級生產。工業革命以來,大氣中二氧化碳的濃度增加了近30%。這導致了廣泛及持續的物種滅絕,總稱為全新世滅絕事件。自20世紀50年代以來,人類活動所造成的大規模物種滅絕占總物種數約10%(截至2007年)。目前大約有30%的物種有在未來一百年內滅絕的危機。現代的物種滅絕事件主要是棲息地的破壞,廣泛分佈的入侵物種,人類的狩獵活動及氣候變化的結果。物種滅絕的後果會持續至少500萬年。這可能會導致地球生態的生物多樣性下降。
目前有多個已知可對人類生存造成威脅甚至使人類滅亡的危機。這些由人類自身造成的危機包括奈米科技的誤用、核戰爭、基因工程造成的疾病,或由一些物理實驗所造成的大型災難。同樣,一些自然事件可能造成世界末日的威脅,包括致命性的疾病,小行星或彗星的撞擊事件,失控的溫室效應及資源枯竭。然而,計算這些情況發生的實際可能性十分困難。
如果人類滅絕,人類建造的各樣建築物將開始腐爛。大型建築物的半衰期估計約為1000年。能存在最長時間的建築物有可能是露天礦場、大型垃圾填埋場、運河、主要公路及大型水壩。一萬年後,幾個巨大的石碑如吉薩金字塔群或拉什莫爾山仍可能以某種形式生存。