宇宙最终会膨胀到多大（宇宙的最后三分钟）

郑胜辉学习与思考第1661天

关于作者

保罗·戴维斯是澳大利亚阿德莱德大学物理学教授，世界著名物理学家，同时也是一位能用简洁生动的语言解释深奥科学概念的大师。

他的研究内容包括黑洞、量子场论、宇宙的起源、意识的本质和生命的起源等。

关于本书

在《宇宙的最后三分钟》里，戴维斯将带领我们探索“宇宙如何走向终结”的问题：宇宙会走向结束吗？那时的人类又将如何，能够幸免于难、永远存在吗？保罗·戴维斯将为你介绍关于宇宙未来的最新理论，带你破解宇宙终结之谜。这是一本人人读得懂的宇宙学科普著作。

核心内容

本期聚焦在三大重要问题：

1.为什么科学家们相信，宇宙一定会走向灭亡？

2.科学家们对于宇宙的灭亡，都有哪些猜想？

3.科学家们要怎么确定，宇宙最终会走向哪种灭亡？

前言

《宇宙的最后三分钟》。这本书讲的是，宇宙会如何灭亡？

宇宙的灭亡，听起来像是科幻小说才会谈到的场景。在我们以往的概念里，宇宙是亘古不灭的。可是，科学家们对于宇宙的研究越深入，就越发现，宇宙自身作为一个整体，必然会受到物理规律的制约，物理规律使得宇宙有自己的生命周期：会诞生、会演化，也会有灭亡。

如果你想了解宇宙的诞生，叫《最初三分钟》，详细描述了宇宙诞生之初的图景。

你会发现，这本书和咱们今天说的这本书有点像，一个是「最初三分钟」，一个是「最后三分钟」。

这本《宇宙的最后三分钟》的作者保罗·戴维斯是世界知名的物理学家，他如此热衷于研究宇宙，就是因为年轻时被《最初三分钟》那本书鼓舞。

可以说，保罗·戴维斯就是想给《最初三分钟》写一个姊妹篇，所以才有了这本《宇宙的最后三分钟》。两本书，一头一尾，说清楚了宇宙的一生。

接下来，我会分成三部分为你解读这本书。

第一部分，为什么科学家们相信，宇宙一定会走向灭亡？

第二部分，科学家们对于宇宙的灭亡，都有哪些猜想？

第三部分，科学家们要怎么确定，宇宙最终会走向哪种灭亡？

第一部分

我们先来看第一个问题，为什么科学家相信，宇宙一定会走向灭亡？

今天的科学家，有各种各样的工具，来帮助他们研究宇宙，不论是新的理论还是新的技术，在这些工具的帮助下，科学家们发现宇宙是有终点的。

其实，早在19世纪，也就是将近两百多年前，那时的科学家们，在没有今天这些先进理念、先进工具的情况下，只借助两个思想实验，就已经推断出，宇宙一定有终点。

我们就来看看这两个精彩的思想实验。

第一个思想实验，叫「奥尔伯斯悖论」。

19 世纪的德国有一位天文学家叫奥尔伯斯，他提出的一个问题困扰了天文学界很多年：为什么夜晚的天空是黑色的？

乍一听，你可能觉得，这叫什么问题嘛。夜空中没有太阳，只有星星和月亮，星星和月亮的亮度比不上太阳，所以就黑嘛。

但是，只要再深想一层，你会发现问题远没有这么简单。

不管是太阳，还是夜晚的大部分星星，其实都是恒星。咱们假设每颗恒星的亮度都一样，其他星星之所以远远不如太阳亮，是因为离我们的距离要远得多。一颗恒星如果到地球的距离是太阳到地球的2倍，亮度就只有太阳的1/4，如果距离是3倍，亮度就只有1/9，你看，亮度的衰减，是和距离的平方成正比的。

但是如果我们假设宇宙无限大，恒星的分布是均匀的，咱们在地球周围就可以画一个假想的球形，你会发现，如果球形的半径变成之前的2倍，这个球里边包住的恒星数量就是之前的4倍。恒星的数量增加，也和距离的平方成正比。

所以，离地球的距离越远，恒星的亮度在衰减，但是恒星的数量在增加，这一减一加其实抵消了。如果宇宙无限大，那么这无数颗恒星无论多远，照在地球上的效果就应该像无数个太阳照射地球一样。那夜晚怎么可能是黑色呢？

唯一可能的解释，就是一开始的假设其实是错的。宇宙不是无限大，恒星也不是无限多。我们身处的宇宙，虽然广阔，但是其实是有边界，有质量的。

第二个思想实验，是德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹提出来的。

顺便插一句，这位冯·亥姆霍兹，可是物理学历史上宗师一般的人物。著名的物理学家普朗克、赫兹，都曾经是冯·亥姆霍兹手下的博士生，我们熟悉的能量守恒定律，也是冯·亥姆霍兹提出来的。

冯·亥姆霍兹在咱们刚才聊的那个思想实验的基础上，又根据热力学第二定律，做了一个思想实验，之后他就做出了预言，宇宙将会走向消亡。

什么是热力学第二定律呢？简单来说，就是在一个封闭的系统里，如果没有外力的干涉，热量永远是从温度高的地方流向温度低的地方，这个过程是不可逆的。

那你可能会说，不对啊。大夏天咱们开空调，那冷风呼呼的，不就是热量从温度低的地方传到温度高的地方吗？

请注意，这是因为咱们的屋子，不是一个封闭的系统，存在外力的干涉。如果把空调的室外机搬到屋里来，所有的门窗都封上，那才成了一个封闭系统。这个时候再开空调，那就是一边制冷一边散热，屋子里的温度是不可能降低的。

宇宙也是如此。热量的流动也是单相的，我们眼前就有一个很好的例子，那就是太阳。太阳不停地向四周散发热量，这些热量在太空中扩散，永远不会返回到太阳那里。太阳的能量有一天会耗尽，也就会变得和周围温度一样。

甚至后来，有的科学家会把热力学第二定律和时间的概念绑定在一起。因为热量的流动也是不可逆的，时间的流动也是不可逆的。所以就有科学家提出来，时间的箭头指向的方向，其实就是热力学第二定律规定的热量流动的方向。

那为什么根据热力学第二定律，就能推断宇宙的未来呢？因为根据上一个思想实验，我们已经可以确定，宇宙就是一个封闭系统，宇宙的空间是有限的，星星的数量也是有限的。所以，不论宇宙多么庞大，星球的运行多么复杂。但是热力学第二定律一直会对宇宙起作用，热量会不停地从温度高的地方流向温度低的地方。

所以，冯·亥姆霍兹得出结论，迟早会有一天，这个宇宙的每个角落，温度都变得一模一样。之后，这个宇宙中就不会再发生任何有意义的物理活动，就像是一滩特别平的水，没有办法流动，也不会有任何波澜。

科学家们还专门发明了一个词，形容这种一潭死水一样的宇宙。这个词叫「热寂」。热量的热，沉寂的寂。在冯·亥姆霍兹看来，宇宙间的热量不再流动，就会让宇宙归于沉寂，这就是宇宙的末日。

第二部分

不过，从冯·亥姆霍兹的时代到今天，又过去了一百多年。今天的科学家对于宇宙的认识，已经有了翻天覆地的变化。

那接下来，我们来看第二个问题，今天的科学家们对于宇宙的灭亡，都有哪些猜想？

第一种猜想是延续之前的热寂猜想。而且科学家们找到了更强有力的支持，这就是宇宙大爆炸理论。

科学家们发现，今天的宇宙，它的诞生源自一场大爆炸。宇宙从一个密度极高的点开始扩张，之后不停地变大。今天的科学家对于大爆炸的研究越来越深入，像我们开头说到的那本《最初三分钟》，在这本书里边，科学家们已经可以通过计算，精确地描述大爆炸之后的三分钟，宇宙都发生了哪些变化。

今天宇宙运行的种种规律，也几乎都源自大爆炸时产生的影响。其中一个影响，就是宇宙还在不停地扩张，科学家们通过观察确定，星系和星系之间的距离并不是固定的，而是在渐渐变远。

而宇宙如果继续扩张下去，不仅未来的宇宙会处处温度相同，而且宇宙越大，这个最终温度就会越低，甚至会无限接近「绝对零度」，也就是零下 273.15 摄氏度。越接近这个温度，粒子的动能就越小，物质就会变得越不活跃。

所以宇宙的扩张，会让宇宙更快的归于沉寂。这就是今天的科学家们对于宇宙灭亡的第一种猜想。

不过，随着对宇宙的深入研究，科学家们对于宇宙如何灭亡出现了第二种声音。有的科学家提出来，宇宙不会无限扩张下去，那些相信宇宙会一直扩张的科学家，其实忽略了一个关键的因素，那就是引力。

科学家们观察那些生命即将走到终点的恒星，发现这些星星会出现一个很神奇的现象，叫做「引力弹弓效应」。

一颗恒星如果生命快要走到尽头，受引力影响，这颗恒星就会向着星系的中心慢慢漂移，在漂移的过程中，它会遇到其他恒星，两颗恒星会互相吸引，形成一种神奇的运行轨道，这里作者用了一种很浪漫的说法，会形成「一对因为引力作用紧紧拥抱并锁定在一起的恒星」。

如果这个时候，再遇到第三颗星星，比如这两颗恒星又遇到一颗向星系中心漂移的恒星，或者这两颗恒星有行星，三颗星的运动，情况就完全不同了。由于三个天体之间相互作用力的模式总是以一种复杂的方式变化着，这三颗星星的运行轨道甚至都无法计算。

著名的科幻小说《三体》，那个三体星系的设定就是这样。

科学家虽然没法预测三颗星星的时时刻刻的运行轨道，但是可以预测运行的最终结果，其中一种结果，就是三颗星星相吸引聚集的巨大能量，会输送到其中一颗星星上，这个星星会被完全踢出去，就像是弹弓上被射出的弹丸一样。

这股能量极其巨大，这个星星甚至有可能会被抛出星系，最终很有可能会被某个黑洞捕获。而那些没被抛出星系的恒星，会继续向着星系中心滑落，最终合并成巨大的黑洞。

所以，在「引力弹弓效应」的影响下，恒星最后的终点，大概率会是成为某个黑洞的一部分。

如果宇宙中的黑洞越来越多、越来越大，那么「引力弹弓效应」又会进一步加强，又会有更多的恒星，向着这些黑洞滑落，这就会引发雪崩一般的连锁反应，最后的结果，就是宇宙从膨胀转向收缩，就像是把大爆炸倒着进行一遍，宇宙回归到那个密度无限大的点。

有的科学家甚至更向前思考了一步，提出了更疯狂的想法。那就是，我们这个宇宙，是不是就会陷入到这种先膨胀后收缩，再膨胀再收缩的无限循环中？我们这个宇宙的起点，也就是大爆炸开始时的那个点，是不是从上一个宇宙收缩而来？

这种把膨胀和收缩结合在一起的模型，被称为「宇宙循环模型」。我们的宇宙就像有几生几世的轮回一样，每一个新的循环，就像是从死亡中重生。新宇宙从上一个宇宙的死亡中诞生，演变出新的系统和结构，探索新的丰富多彩的世界，然后再一次收缩，直到走向毁灭。

这种猜想很难被验证。假设宇宙循环模型是真的，上一个宇宙留下来的一切，都会在收缩成一个点的时候被彻底毁灭，今天我们的宇宙中，没法找到任何证据。

不过如果我们假设宇宙循环模型是真的，并沿着这个思路继续思考，就会得出更神奇的结论，那就是宇宙的下一次轮回，经历的时间会比上一次更长。

科学家发现，宇宙大爆炸会遗留大量的热辐射，宇宙会带着这些热辐射一直向外膨胀，这个辐射就被称作宇宙的「背景辐射」。随着时间的推移，恒星的光辐射也在累积，在经过几十亿年后，宇宙空间中积累的光辐射几乎与背景辐射一样多。这意味着，宇宙重新收缩的时侯，散布在整个宇宙中的辐射能量比大爆炸刚刚发生后的辐射能量要多得多。

你可能会问，宇宙不是一个封闭的系统吗？物质守恒、能量守恒，那这些多出来的辐射是从哪来的呢？根据爱因斯坦的方程式 E=mc^2 ，超额的热能是由宇宙包含的物质提供的。能量从物质完全转化为辐射。

这一切的结果就是，宇宙从收缩走向灭亡，看起来像是把宇宙膨胀的过程倒过来放了一遍，但是其实大不相同。因为这时的宇宙和之前的宇宙也许大小一样，但是物质更少，辐射更高。辐射的引力与物质的引力大不相同，所以造成的影响也不一样，这些超额的辐射会让宇宙坍缩的速度变得更快。如果以某种方式使反弹出现，那么下一个宇宙也会以更快的速度膨胀。

换句话说，每一次大爆炸的能量都应当比上一次更大。随着每个新的循环的开始，宇宙将会膨胀到更大的尺度，因此循环将逐渐变大，时间也会越变越长。

也就是说，如果宇宙真的经历几生几世的话，那下一生经历的时间，会比上一生更长。

第三部分

刚才咱们聊了这么多关于宇宙末日的猜想，有膨胀，有收缩，还有先膨胀后收缩的。那就引出了新的问题，科学家们要怎么确定，哪种猜想最靠谱呢？宇宙最终会走向哪种灭亡呢？

咱们来想象一下非常遥远的未来，比如一亿亿亿年以后，宇宙是个什么样子。

那个时候，宇宙里大部分恒星都已经燃烧殆尽，宇宙已经是一片黑暗，但是并不是空无一物，还有无数的黑洞、中子星和黑矮星，不过宇宙中天体的密度非常低，因为那会儿的宇宙会膨胀到现在的一万亿亿倍。

在宇宙膨胀的过程中，引力会进行一场拉锯战。不断膨胀的宇宙试图将每一个天体拉远，但是天体间的引力却试图将天体聚合。

这就像是一场拔河比赛，那到底哪一边会取胜呢？会取决于宇宙中物质的密度。物质的密度越低，膨胀的力量就越强，物质的密度越高，聚合的力量就越强。

我们都知道，密度等于质量除以体积，今天的科学家们已经可以推测出宇宙到底有多大，进而估算宇宙的体积。那接下来，决定宇宙命运的关键，就是宇宙的质量了。

如何称出宇宙的质量？这似乎是一项艰巨的任务，我们没法一颗星星一颗星星地去称重，也找不到一个大天平，把宇宙都放在那里称一称。不过，科学家还是找到了一种思路，他们相信，可以用引力理论来推导结果，这个结果未必那么精确，但是可以帮助科学家计算出质量的下限值。

具体怎么做呢？我们可以通过测量太阳对行星的引力，称出太阳的质量。科学家们已经知道，银河系大约有 1000 亿颗恒星，假设每颗恒星的质量等同于一个太阳的质量，由此，我们就得到了银河系质量的下限值。

进一步，我们可以推算出宇宙中有多少个星系，目前比较合理的估计是 100 亿个。因此宇宙总质量为 10 的 21 次方个太阳那么重。

这就是宇宙质量的下限值，换句话说，宇宙应该不会比这个重量更轻。

如果我们假设宇宙的质量就这么多，会得出什么结论呢？

科学家们经过计算发现，这个密度并不高，如果宇宙只有这么多质量的话，那么我们身处的宇宙会一直膨胀下去，最终走向热寂。

当然，这只是根据宇宙质量的下限值得出的结论，而这个下限值来自于我们可以看到的恒星。但是很多科学家相信，我们看到的宇宙物质，比实际存在的宇宙物质要少很多。比如，宇宙中有很多并不发光的天体，像是暗星、行星，还有黑洞，到底它们的质量是多少？宇宙中是否存在暗物质和暗质量？一些数量庞大但极其微小的粒子，比如中微子，它们到底有没有质量？这些问题，今天的科学家还没有办法回答。也许只有等这些问题都有答案之后，我们才能准确地计算宇宙的质量。

还有一批科学家另辟蹊径，他们描述了一个不一样的宇宙模型。他们的理由是，你们这些科学家思考宇宙的未来时，都把宇宙想象成铁板一块，一个巨大的整体，膨胀就处处都膨胀，收缩就处处都收缩，但是你们要注意，宇宙空间里边，那个密度分布是极其不平均的，所以有没有可能，其实我们这个宇宙，是能被分成一个个小块的。每一块因为密度不同，所以其实它的变化也不一样。就像是一个个气泡一样，有的气泡疯狂地膨胀，有的气泡不变大也不变小，有的气泡已经开始收缩了。

这个理论被称作「宇宙气泡模型」，是由俄罗斯物理学家安德烈·林德提出来的，他甚至对宇宙的诞生也有不同的猜想，宇宙并不是从一个点诞生的，可能就是有很多个气泡，那些膨胀最剧烈的气泡，短时间内占据了宇宙最大的空间。我们当前所在的地方，不过是那些高度膨胀的宇宙气泡其中之一，我们这个宇宙气泡的内部，物质和能量几乎均匀地分布，但在我们的气泡之外，还存在着其他气泡。在那个更大的宇宙尺度上，宇宙看起来仍然非常混乱。

如果安德烈·林德的预言是真的，那宇宙的结局也是完全不一样的图景了。

因为在林德的模型中，膨胀永远不会停止。就算一些宇宙气泡在收缩，但是总有新的气泡正在形成，新的宇宙气泡会开始膨胀，占据那些正在收缩的宇宙气泡的空间。

这是另一种形式的永恒宇宙，甚至比我们刚才聊到的宇宙循环模型还要更加疯狂。如果说宇宙循环模型，就像是一个人的生老病死，几生几世，而这个宇宙气泡模型，已经是无数人按照丛林法则相互竞争了。宇宙就像是一个王座，气泡们就像是一个个竞争者，总有身强力壮的年轻人，会把老国王拉下王位，取而代之。在这种宇宙中，生命、希望和宇宙都是永恒的。每一个气泡可能有生老病死，但是整个宇宙和这个抢椅子的游戏却生生不息。

当然，借助今天的科学技术，不论是热寂还是收缩，「宇宙循环模型」还是「宇宙气泡模型」，目前都只是科学家的猜想。在当下这个时间节点，想要准确预言宇宙的未来，还是不可能的。我们只能期待未来的科学家们可以更准确地了解宇宙，那时我们对宇宙的未来，就会有更清楚的认识。

结语

最后，还想和你分享一个我从书中读到的脑洞。

前边咱们讲了许多宇宙终结的方式，那作者就问了，我们人类有没有什么办法，可以做点事情，减缓宇宙的灭亡呢？

乍一看，我们肯定是啥事儿都做不了。人类再有力量，也没法和物理定律抗衡，在宇宙这个尺度上，我们和蚂蚁一点儿区别都没有。

但是，书中提供了另一种思路。我们也许没法减缓宇宙的灭亡，但是我们可以找到一种方式改造自身，提升人类处理信息的速度和新陈代谢的速度。

因为对于人类来说，时间是个相对的概念，只要我们的心智和身体足够快，那么几分钟也能过出几年的效果来。

从原则上说，如果我们掌握了方法，可以提升人类处理信息的速度和新陈代谢的速度，那么剩余的时间，就能在人类的大脑中无限延长。在这种技术的加持下，哪怕宇宙距离灭亡只剩下三分钟，我们也可以在这三分钟里，体验千年万年的时间，人类几乎可以获得永生。

我觉得，如果这种技术可以成真，那对于人类来说，宇宙的最后三分钟，也就变得不那么可怕，不那么苍凉了。

撰稿：陈章鱼脑图：摩西脑图工作室

资料来源：得到APP

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