知乎日報：宇宙只剩下太陽這一顆恆星真的有可能

　　剛剛做完一個星系化學演化模擬，看到這個問題，渾身不舒服。因為按照現有人類對宇宙的認識圖景(參考 Lambda-CDM model)，在遙遠的未來，假如太陽一直存在(同時假設人類也存在)，那麼它確實有可能成為我們能觀測到的唯一恆星。

　　序章：我們都知道些什麼?

　　Scientific American 2008 年三月刊上有一篇特別有趣的文章，The End of Cosmology? (宇宙學的終結?)

　　作者是兩位宇宙學家 Lawrence M. Krauss 和 Robert J. Scherrer。大家可能更熟悉 Krauss，因為他老人家著有兩本(因為我只讀過這兩本)科普書A universe from nothing(無中生有的宇宙 (豆瓣))，The Physics of Star Trek(The Physics of Star Trek (豆瓣))。言歸正傳，那篇文章指出，未來當我們抬頭仰望天空時，可能將會是一片黑暗。不願意聽我絮叨的，直接跳轉原文

先來扯我們知道的，如今標準的宇宙學理論被稱為 Lambda-Cold Dark Matter(

)模型：Lambda 源自愛因斯坦引入的宇宙學常數，是一種相互排斥的真空能量(約佔宇宙總能量的 70%);CDM 即冷暗物質，是相互吸引的物質粒子(約佔宇宙總能量的 25%)。前者推動宇宙的整體膨脹，加速星系相互遠離的趨勢;後者把恆星黏合成星系，把星系黏合成星系團。這兩種能量共同主導了可觀測宇宙(Observable universe)的大尺度結構。很遺憾，你我可以摸得着、看得到的尋常物質(約佔宇宙總能量的 5%)對現階段宇宙的影響可以忽略(現有宇宙大尺度模擬中沒有氣體)。更遺憾的是，我們對宇宙“膨脹劑”和“粘合劑”的本質幾乎一無所知，只知道它們應該就在那裏，在這裏，在你我身邊，無處不在。“暗”這個詞在物理學上就意味着無知。

　　但是，無論是尋常的物質(重子物質)，還是看不到摸不着(暫時性地)暗物質，其能量密度都是與空間尺度的三次方成反比的。而暗能量非常的不同尋常，目前的觀測表明它的能量密度幾乎是個常數!也就是説，隨着宇宙尺度的增加，暗能量將持續不斷地增加。最終的結果是：宇宙的排斥力一旦超過吸引力，宇宙的膨脹速度越來越快，永遠不會停下來。通過對超新星的觀測，兩個獨立的研究組都證實了這個結論(Accelerating universe)，並榮獲 2011 年諾貝爾物理學獎。

　　第一章：膨脹宇宙的未來

　　在討論繼續之前，須要正確地理解宇宙膨脹。在沒有數學公式的引導下，我認為吹氣球模型最好的詮釋了宇宙膨脹(缺點是，它是一個 2 維膨脹宇宙)：隨着氣球(宇宙)尺度的增加，氣球上兩點(宇宙中兩星球)的距離不斷增加。這種膨脹沒有中心，從任何一點看過去，其他點都在離自身遠去。

　　宇宙的膨脹導致宇宙中任意兩點的距離都在增加，於是離得越遠的兩點分離得越快。站在地球上向宇宙深空望去，在足夠遠的地方，宇宙的膨脹速率(相對於此時此地的我們)甚至超越了光速。需要説明的是：這並沒有違反狹義相對論，因為在這個過程中沒有信息傳遞;同時，狹義相對論只嚴格限制了能量 / 動量在時空背景下的移動速度，並沒有對時空本身的變化有限制。於是，在遙遠的宇宙中存在一個界限(事件視界，Event horizon)，超越了它，那裏發生的一切將永遠無法影響到我們，因而那裏的一切對我們來説都毫無意義(森林中一棵樹倒下了，卻沒人看見或聽見，這件事情有意義嗎 >.<)。這樣的宇宙對待在其中的人類來説，就像是一個內外翻轉(inside-out)的黑洞，界限外面如同黑洞一般，沒有任何信息能從那裏傳達給我們。

　　在遙遠的未來，那些遙遠的星系(隨自身所處的時空)遲早會以超過光速的速度離我們而去，人類將再也無法看到它們的星光。隨着宇宙的不斷膨脹，我們人類的“視野”也會越來越小。而與我們銀河系處於同一個引力束縛系統的其他星系將最終融合，成為一個超級星系。而星系之外，則是永無止境的黑暗。Krauss 在文章預計這件事情將發生在 1000 億年後，屆時太陽系將肯定不會存在。

　　故事講到這裏，小結一下。我們基於

　　1)假設——“存在提供排斥力的宇宙學常數(暗能量)”

　　2)假設——“存在提供引力的暗物質”

　　3)觀測事實——“星系運動曲線以及宇宙大尺度結構”

　　4)觀測事實——“宇宙加速膨脹”

　　得到了這樣的結論：在遙遠的未來，銀河系與附近的星系將融合成一個超級星系，此外所有其他的星系和天體都將離開我們的觀測視界。在人類可觀測的宇宙中，除本星系以外一無所有。

　　第二章：微調一下暗能量?

　　之前我描述的未來基於暗能量存在的假設，而且這種暗能量的能量密度還幾乎是恆定不變的。那麼，如果暗能量的能量密度緩慢地增加，結果又會如何呢?

　　必須要説明的是，目前所有的觀測數據(包括:Ia 型超新星觀測、High red-shift cluster abundance、以及 quasar-lensing statistics)都表明暗能量的性質(專業點的説法是“物態方程”)和愛因斯坦引入的宇宙學常數非常類似，即能量密度保持為常數。

　　Robert R. Calwell 等人在 2003 年討論了一個非常有趣的可能性(Phys. Rev. Lett. 91, 071301 (2003))：如果暗能量的能量密度隨時間增加，宇宙的未來會怎樣?相比於恆定能量密度的情況，這種可能性將會導致宇宙的“大撕裂(Big Rip)”。什麼意思呢?不斷增加的暗能量將遠遠超過引力物質，最終導致宇宙失控一般地膨脹。與第一章提到的加速膨脹不同，這種可怕的膨脹將會撕裂引力束縛系統。

　　簡單來説，就是在未來的某個時刻，失控膨脹的宇宙會先撕碎我們銀河系所處的星系集團(Local Group)，然後進一步撕扯開銀河系、太陽系、地球、你和我、最終將原子核扯開。這就是“大撕裂”的含義。

　　在這樣的一種可能性當中，太陽確實會在某個時刻成為我們人類世界(假設還存在)唯一的恆星。不過呢，在這之後，太陽系也將註定分崩離析。

　　聽起來是不是有點可怕，比起無窮的孤獨更加暴虐?但是，這樣有趣的(大部分的研究文章都用了這個形容詞)未來嚴格依賴於暗能量能量密度逐漸增加的假設。而且根據不同的模型和參數估計，從此時此刻算起，大撕裂的時間至少還要 100 億年，比凱恩斯的“長期來看(In the long run, we are all dead)”還要長得多，長得足夠人類去回憶。

　　第三章：膨脹導致的無知

　　無論暗能量性質如何，只要它存在(準確地説，還要求它的壓強至少為自身能量密度的 1/3，雖然這一點目前看起來毋庸置疑)，宇宙終將無休止的膨脹。在遙遠的未來，我們的知識本身將發生變化(請注意，我沒有説物理定律會變化)。關於宇宙，那時的人類可能會了解得更少。

　　先來看看今天宇宙學的四大基石：

　　1)愛因斯坦場方程是我們理解時空和宇宙的理論基礎，勒梅特(Lemaître)首次指出動態宇宙解和星系紅移的聯繫(他甚至第一次推導出了“哈勃定律”，可惜文章是法文寫成的，在翻譯成英文時，這個結論被遺漏了)。

　　2)威斯特 斯利弗爾特(Vesto Slipher)首次根據星系紅移觀測推算出星系的退行速度，隨後哈勃進一步推算出星系的距離，並得到了“哈勃定律”(雖然誤差大得驚人)，證實了宇宙膨脹。

　　3)彭齊亞茲和威爾遜發現了宇宙微波背景輻射(Cosmic microwave background)，證實了宇宙起源於極熱極密的過去，即“大爆炸”。

　　4)宇宙元素(主要是氫和氦)的丰度觀測，符合“大爆炸”模型的預測，即原初核合成(Big Bang nucleosynthesis)。

　　當然，我們沒有理由認為廣義相對論在未來會失效，就像你不會認為牛頓的引力定律失效了一樣。但當所有遙遠的星系都退行到事件視界以外，而附近的星系也融合為一個超級星系時，我們將再也無法觀測到那些光譜紅移的星星，也不會得出“大部分天體都在離我們遠去”的結論。

　　當未來的天文學家架設起更為強大的望遠鏡時，他們一定會很失望，本星系之外沒有任何發亮的物體，宇宙將無法展現出任何動力學特徵。到那時，即便有廣義相對論(水星還是會進動)，“宇宙在膨脹”也會成為一個幾乎無法證實的猜想，哈勃等人的發現和“大爆炸”學説都將變成傳説，湮滅在歷史洪流之中。

　　宇宙微波背景輻射實際上是宇宙誕生初期(大爆炸後約 300 萬年)殘留的光子。這些光子的波長隨宇宙尺度的增加一起被拉長。因此，我們今天觀測到的宇宙背景輻射能譜是 2.7K(約零下 270 攝氏度)的黑體輻射譜，在這個意義上來講，宇宙很冷很冷了。隨着宇宙進一步膨脹，背景輻射的温度也會繼續下降，屆時如何將背景輻射信號與探測器本身的熱噪音分開就會成為一個超級工程難題。當然，即便一個天才的工程師解決了這個問題，銀河系本身也會把背景輻射隱藏起來。

　　現在微波背景輻射能量峯值集中在波長約 1 毫米的微波波段。但在未來，它遲早會進入米，甚至千米級別的無線電波波段，變成宇宙無線電波背景輻射(Cosmic Radiowave Background)。由於銀河系的星際物質基本上是電離的氫原子和電子(統稱等離子體)，任何波長大於 300 千米無線電波將被它們反射或吸收，就像地球大氣層反射和吸收 AM 廣播信號一樣。那時的銀河系對宇宙背景輻射來説，將成為一團不透明的物質，身處銀河系的我們將不可能接收到宇宙早期遺留的餘光。沒有了這道光的引導，我們幾乎不可能瞭解宇宙過去的熱歷史，也更難想象出宇宙曾起源於一個“大爆炸”。

　　根據原初核合成理論，宇宙誕生初期(參見The First Three Minutes)殘留的化學成分主要是氫元素和氦元素。隨後產生的恆星在引力的協助下，將這些輕元素轉化成更重的元素。但總的來説，今天的宇宙並沒有將最終的化學組成改變太多，因而我們能借此推斷宇宙早期的熱力學行為。

　　但是在羣星消失在宇宙的地平線之日，宇宙的化學組成將極大地區別於現在或是早期的宇宙。而且，那些保存宇宙早期化學組成的高紅移天體也早早消失了。所以，那時的人類將不可能從當時的元素丰度觀測中推斷出早期宇宙的成分(元素演化是一個無法想象的複雜動力學過程)，進而也無法瞭解物質的起源。

　　在宇宙學四大基石遺失三個之後，我們將無法根據觀測挑選出合適的場方程解來描述宇宙。今天我們對宇宙的瞭解和知識在那個時候將成為上古的神話傳説。

　　第四章：一點點的哲學

　　現在回到題主的問題。在未來的宇宙，太陽成為人類世界(假設還存在)唯一的恆星，人類社會可能會發生什麼變化：

　　1)物理學知識可能沒有改變。能改變物理定律的恐怕只有物理定律本身。

　　2)宇宙學的末日。比起現在，那時的宇宙學家將會了解得更少，而非更多。

　　3)“人類中心論”可能會有觀測事實的支持。宗教可能借此重新抬頭。

　　4)伴隨羣星消失的，還有更多的神話和傳説。

　　假如我們有幸看到這整個過程，那麼將會發現一個有趣的現象：真理將消失於歷史的長河之中。不要以為我們一定會知道的原來越多，我們也可能會知道的越來越少。

　　新的問題：為什麼我們如此幸運，能夠在此時瞭解宇宙?因為此時的宇宙是這樣的，它尚未走到末日。

　　為什麼此時的宇宙是這樣的?因為只有現在這樣的宇宙，才能允許人類的存在，所以人類看的宇宙一定就是這樣的，這就是人擇原理(Anthropic principle)。根據現有的估計，早期宇宙存在更多的大質量超新星，太陽系遭受的高劑量輻射更多;同時重元素(比氦重的都算)的數量不足，不足以支撐“像我們這樣的”碳基生命存在;銀河系與當前環繞它的衞星星系(Satellite galaxy)尚未完成融合過程，銀河系本身的結構還處於動盪之中;除此之外，太陽這種低質量恆星出現的幾率也可能是隨時間變化的。現代科學認為地球生命(包括人類)存在並演化的條件，必須基於宇宙中的許多巧合事件，而發生這些巧合事件的聯合概率或許就是地球歷史開始的時候達到峯值(對修過統計力學的朋友，我可以做這樣的比喻：地球生命是宇宙系統的一個熱力學統計量)。

　　有理由相信，人類的存在絕不是普通的(完了，要得罪一批“哥白尼世界觀”的人了)，而是極其特殊的。人類的存在，將這個宇宙從萬千可能的宇宙當中挑選出來;人類的存在，將宇宙的此時此刻從它漫長的歷史當中挑選出來(應該是 Alfred Russel Wallace 最早提出的想法)。

　　為什麼現在太陽不是我們唯一的恆星?因為人類的存在，因為題主你在這裏問問題，我們選擇了這樣的事實：太陽不是唯一的恆星。

　　1.上面關於宇宙未來的預測，是基於人類對宇宙過去 130 億年左右歷史的理解，外推至 1000 億年之後。所以，我個人並不認為它具有多大的參考意義，僅僅屬於分享給大家，圖個樂。這個時代是宇宙學的黃金時代，幾乎每幾年就會有重大發現。大家不妨關心一下，説不定明年標準宇宙學模型就被更新了呢?

　　2.我不認為天體撞擊地球是導致地球物種滅絕的唯一解釋。實際上，地球本身的地質活動也可能造成大規模的物種滅絕。比如三葉蟲滅絕的二疊紀(Permian)，超級火山噴發導致地殼中的碳被大量釋放也是一種導致物種滅絕的可能性。即便沒有超級火山，奧爾特雲區小隕石的隨機碰撞也會增加地球被隕石襲擊的幾率。

　　3. 以上內容皆為行業內部小眾觀點。