以下文章来源于墨子沙龙 ，作者尼尔·泰森
墨子沙龙.
墨子沙龙是中国科学技术大学上海研究院于2016年起举办的沙龙活动，主要以面向大众的自然科学科普为主，后期还将陆续添加人文、艺术、健康等主题的讲座或讨论内容。墨子沙龙每月一次，邀请国内外知名科学家为大家讲述科学的那些事儿。
当我们思考宇宙的终结时，我们自然会首先想到太阳系中的行星以及太阳的结局。像其他恒星一样，太阳在其生命演化的不同阶段也会采用不同的策略来抵抗自身的引力。每种策略都是其走向死亡过程中的传奇篇章。
如前所述，太阳系的传奇始于一片坍缩的气体云，气体云由于自身引力而自发地向中心坍缩。此过程使其核心温度升高，当温度到达某个临界值就会触发热核反应，其中的氢聚变成氦。具体来说，是4个质子结合并转化为1个包含2个质子和2个中子的氦原子核，同时产生其他粒子并释放能量。
由此产生的向外的压力最终与引力平衡，太阳进入稳定期。45亿年来，太阳一直在其核心将氢融合成氦。再过大约40亿年，它核心中的所有氢将耗尽，而引力在遭遇了约90亿年的顽强抵抗后，将重新占主导作用，使太阳再次坍缩。
▲ 40多亿年后，太阳将膨胀成一颗红巨星，吞噬水星和金星。图中描绘了那时地球干燥的地表，在已成为耀眼红巨星的太阳的映衬下，月球显现为一个黑色圆盘。事实上，此时太阳还有两种方法可以抵抗引力坍缩。一种是利用核心周围壳层中遗留下来的氢，另一种是在核心中继续触发一系列核反应，将氦转化为碳。每个氦原子核都包含2个质子，3个氦原子核可以融合成一个包含6个质子的碳原子核，这一过程被称为三α过程（因包含2个质子和2个中子的氦-4原子核也被称为α粒子）。
太阳在进入老年期后会采用这两种策略，导致情况有点复杂。其中最重要的两点是：（1）太阳将因太阳风的大幅增强而损失约三分之一的质量；（2）太阳的外层会膨胀和冷却，因为它转变成了一种新的恒星类别——红巨星。太阳会逐渐膨胀至水星和金星的轨道，依次吞没这两颗行星，同时地球也面临同样的威胁。最终，所有膨胀的气体都逃逸到星际空间，只留下一具微小、稳定、炽热的恒星残骸。
当这一切发生时，我们最好逃到别的地方去。
像太阳这样的恒星在将氦转化为碳之后，其质量不足以触发后续的核反应，因此没有什么机制可以再来阻止其引力坍缩。这时，我们的故事中出现了一个新角色。早期从原子中分离出来并在等离子体背景中存在了数十亿年的电子，现在来到了舞台的中央。
量子力学定律告诉我们，电子云不能被无限地压缩。你可以理解为每个电子都需要一定的活动空间来维持其存在。但在遇到电子向外压力的抵抗之前，引力已经将太阳的剩余部分压缩成差不多地球大小了——此时坍缩过程停了下来。太阳最终会变成一颗被称为白矮星的恒星，一具在天空中慢慢冷却的残骸。它的生命传奇也到此结束。
地球的结局
那么当太阳为了活命而与引力苦苦战斗的时候，我们的地球表面又是怎样一番景象呢?
地球上最显著的变化来自太阳光度的升高。尽管太阳在45亿年的时间里一直通过核心处的氢聚变来产生能量，并且这一过程还会持续约50亿年，但它的光度一直在缓慢升高。例如，当行星刚形成时，太阳的光度比现在低30%左右，而当其核心中的氢耗尽时，其光度将又比现在高约三分之二。太阳光度升高会导致地球温度升高，地球生命该如何应对?可以明确的是，我们目前所知的所有生命形式都无法在这种环境中幸存下来。但是，注意不要把我们今天所经历的全球变暖和太阳光度的缓慢升高混为一谈。
如果不考虑人类在未来几百万年内的活动可能对地球环境造成的影响，那么那时候的地球可能和现在不会有太大的区别。由于地球自转和绕太阳公转的细节变化，冰期依旧会时不时出现。然而，随着太阳使地球变暖，冰期的出现将变得没那么频繁。由地幔对流所驱动的大陆缓慢而稳定的运动在短期内也不会受到影响。事实上，地质学家已经提出，再过2.5亿年，所有大陆将重新聚合为一个整体：2.5亿年前的联合古陆（Pangea，也译为盘古大陆）将再度出现。
10亿年后，地球的平均温度将比我们的体温还要高。在这个温度水平上，蒸发率会增加，更多的水分会从地球上的海洋和湖泊进入大气，然后来自太阳的紫外线会将这些水分子分解成氢原子和氧原子。随着海洋完全消失，更轻、运动速度更快的氢原子将逃逸到太空，这使整个星球变得干燥。火山也会继续喷发，将大量的水和二氧化碳喷射到大气中。但是，那时不像现在有海洋来帮助吸收大气中的二氧化碳，因此由二氧化碳引发的温室效应会非常强烈。随着来自太阳的紫外线不断分解水分子，由水产生的亚晶体润滑（sub-crystal lubrication）作用也会消失，迫使板块运动过程停止，大陆的位置被锁定。在30亿～40亿年后，失控的温室效应将使地球表面温度升高到足以将岩质地表熔化成熔岩海洋。
▲ 上图地球上的板块一直处在运动中。地质学家预测它们会再次相聚，连接成一个整体，形成所谓的联合古陆。当太阳进入红巨星阶段后，它的包层会不断膨胀。那时太阳会因太阳风的增强而失去质量，它对行星的引力也会减少，因此地球会进入一个稳定的半径更大的轨道。如果太阳没有将地球完全吞噬的话，地球将会像一块烧焦的煤渣一样围绕着白矮星（太阳生命的终点）旋转。
现在可能是问这个问题的好时机：逃离地球的太空计划进展如何?
无法预测的世界末日：
火山喷发
正如我们所知，能够威胁地球生命的并非只有太阳的演化，地球自身的环境其实也危机四伏，火山喷发就是其中之一。
我们生活的星球曾经处于熔融状态，在冷却后变成了现在的样子，并且仍在继续冷却。地下熔融或部分熔融的岩石称为岩浆，它们可以将热量输送到行星表面，产生从温泉到火山喷发的各种现象。大多数情况下，无论这些喷发多么壮观，都只会影响火山周围相对较小的区域。然而少数情况下，火山喷发会产生全球性的影响。例如，在1815年，位于现在印度尼西亚境内的坦博拉火山发生大喷发，大量烟尘进入平流层，太阳光被遮挡。这直接导致了次年全球平均气温下降，1816年因此被称为“无夏之年”。
然而，有时从内部涌出的岩浆无法冲出地壳形成孤立的火山。在这种情况下，压力会在地下积累，直到大面积的地壳在极强的爆炸和巨量岩浆喷发中破裂。当喷出岩浆的体积大于1000立方千米时（请注意我说的单位是立方千米），就称其为超级火山喷发，超级火山喷发喷出的物质足够将得克萨斯州大小的区域掩埋在1.5米厚的岩层之下。世界上已知的超级火山大约有20座，其中最著名的可能要数位于美国黄石国家公园的黄石火山了，这座超级火山上次喷发是在66.4万年前。如果今天发生类似的喷发，北美洲大部分地区都将被火山灰掩埋。
地质学家研究发现，地球至少经历过47次超级火山喷发——最近一次是新西兰陶波火山在2.65万年前的喷发，那个时候人类还处于穴居状态。因此，不管你在世界末日题材的科幻电影中看到的结局是什么，地球上的生物（包括人类）都很可能会在下一次超级火山喷发中幸存下来，即使不是所有的生物都能幸存（尤其是那些想近距离观察火山喷发的生物）。
数百万年前，一种与大火成岩省相关的火山活动也曾威胁到地球上的生命。这种火山活动的规模之大使超级火山喷发都相形见绌，喷出的熔岩可达数十万立方千米。例如，德干地盾（DeccanTrap，印度中西部的一个广阔地质构造）可以追溯到大约6500万年前的火山喷发，而西伯利亚地盾（SiberianTrap，俄罗斯北部的一个类似的地质构造）则起源于2.5亿年前的火山喷发。这些岩浆外流活动发生的时间
与地球生物演化史上两次大规模生物灭绝事件的发生时间吻合，在回答这些大灭绝事件发生的原因时，不能忽视这些火山活动。
▲ 美国黄石国家公园坐落在一座超级火山上，地下存在巨大的岩浆库。这座超级火山的上一次喷发距今已有60多万年，其所在区域经历了地震带来的地貌变迁，形成了今天充满蒸汽和硫黄的景观。无法预测的世界末日：
地外天体撞击
在5万年前的一个普通日子里，一颗长度大概有16层楼那么高的小行星从美国亚利桑那州上空坠落。这颗小行星主要由坚固的铁组成，在穿过大气时产生的高温中幸存下来，最终消散于撞击地球的爆炸中，它炸出的陨星坑“直径超过1千米。目前那里成了热门的旅游景点——巴林杰陨石坑（Barringer crater），以其土地所有者的名字命名。当时人们对这种大坑的起源并不十分清楚，而现在我们都知道更确切地应该称其为亚利桑那陨星坑（Arizona meteor crater）。这个大坑时刻提醒着我们，地球其实处在非常危险的空间环境之中。
太阳系中的大多数小行星都位于火星和木星的轨道之间，这个集聚了大量小行星的区域被称为小行星带（asteroidalbelt）。就像陨星坑一样，在天体物理学中，我们往往对我们给事物起的名字很敏感。然而，小行星偶尔会因为发生随机碰撞或行星引力的影响而被推向地球。这些小行星不是专门瞄准我们的，但如果我们碰巧挡住了它们的去路，如果我们碰巧在错误的时间出现在错误的位置，它们就会击中我们，就像那颗击中亚利桑那州的小行星一样。
我们所知道的最具灾难性的小行星撞击发生在6500万年前，当时一颗大小与珠穆朗玛峰相当的小行星撞击了地球，撞击点位于墨西哥尤卡坦半岛现在称为奇克苏鲁布的地方。这颗小行星加速到了大约20千米每秒，撞击能量超过全人类核武器总能量的1000倍。
动能在撞击时转化为热能，撞击形成了一个直径约180千米的大坑，并引发了生物大灭绝，这是5次生物大灭绝中最近的一次。爆炸产生的尘埃覆盖了高层大气，在多年的时间里阻挡了阳光。长期的黑暗连同海啸和空中掉落的燃烧着的爆炸碎片，导致地球上三分之二的物种灭绝，包括我们从小就喜欢（和害怕）的所有恐龙。
那么让我们问一个令人不安的问题——以后会不会还会发生大型小行星撞击地球的事件?换句话说，是否还会发生能够造成生物大灭绝的小行星撞击事件?
美国国家航空航天局专门制订了几个计划来探测威胁地球的天体。其中最著名的是泛星计划（Pan-STARRS），它由位于夏威夷哈雷阿卡拉山顶的望远镜及其他设施组成。该项目和其他同类项目已经发现了数十万颗小行星，其中数万颗被归类为危险的近地天体。我们希望这是一个完整的目录，所有比足球场大的对地球有潜在威胁的小行星都被收录其中。
如果确实出现了这样的威胁，我们可能不会像好莱坞影片中描述的那样在小行星撞击地球之前用核武器将其炸毁。
引爆核武器造成的后果是难以预料的，而且即便成功炸毁小行星，爆炸也会产生大量混乱飞行的碎片——它们可能会以更快的速度撞向地球，成为致命威胁。更为可行的方案是，使用某种方法将小行星逐渐推离原有轨道，使它无法撞向地球。
▲ 从亚利桑那陨星坑可以看到5万年前撞击地球的小行星造成的破坏。未来的星系碰撞
尽管哈勃发现了宇宙膨胀，也就是宇宙中的星系整体上都在彼此远离，但如果两个星系彼此靠得很近，它们之间的吸引力足以在局部抵消宇宙的膨胀。换句话说，有些星系会碰撞到一起。事实上，几十年来，天体物理学家一直怀疑银河系和其邻居仙女星系将在几十亿年后发生碰撞。
得益于盖亚天文卫星收集的新数据，近年来我们对未来星系碰撞的细节有了更多的了解。在前面章节讨论视差和宇宙距离阶梯时，我们也对这些数据有所提及。盖亚天文卫星由欧洲空间局在2013年发射，目标是对银河系内数以亿计的恒星的位置进行前所未有的高精度测量，以此为依据获得银河系恒星分布的三维模型。尽管盖亚天文卫星的主要功能是观测银河系中的恒星，但它也可以探测到仙女星系中明亮恒星发出的光。基于这些观测，我们可以预测未来发生的碰撞场景。
从现在起大约45亿年后，两个星系将相遇并发生横向擦碰。如果我们只看星系中的发光部分，会发现它们几乎没有发生碰撞。每个星系周围都有一个巨大的暗物质晕，暗物质晕的引力在此时会产生非常重要的作用。当银河系和仙女星系擦肩而过之后，暗物质晕的引力会使两个星系都开始减速，然后停下、反向运动，进而再次相撞。
需要注意的是，星系不像固态的天体。事实上，星系中的恒星之间大部分空间都是空荡荡的。所以星系间的碰撞也不是一次性的，星系在擦身而过后，会掉头再次擦碰，然后多次重复这个过程。但二者往复运动的幅度会越来越小，直到系统稳定下来，形成一个新星系。新星系的名字有点缺乏想象力，由两个星系的名字拼凑而成——银河仙女星系（Milkomeda）。
开放、封闭还是平直?
当我们思考整个宇宙的命运而不是我们附近天体或星系的命运时，我们必须首先了解宇宙的基本几何结构。想象一下你从地球表面向上抛出一个球，除非你是超人或者惊奇队长，否则它最终会因为重力减速，然后落回地球。如果将球以同样的速度从小行星表面向上抛，它将飞向太空，永不返回。如果以完美的速度投球，刚好可以补偿和抵消重力的影响，球可能会进入环地轨道。总之，球的命运取决于你发射它的速度、方向以及它受到的重力。
我们可以对宇宙膨胀的最终结果进行类似的论证。如果宇宙有足够的质量（足够的引力）来减缓星系远离的速度并让它们掉头，那么膨胀就会逐渐停止并在某一天逆转，这种情形我们称之为闭宇宙。
另一方面，如果宇宙没有足够的质量，膨胀将永远持续下去，我们称之为开宇宙。这两种情况之间的过渡点被称为平直宇宙或平坦宇宙，它有足够的质量来阻止膨胀并最终在两种情况之间保持平衡。实现这一目标的质量被称为“关闭”宇宙的临界质量。
所以，当我们思考宇宙的未来时，必须考虑3个要素：普通物质的总量、暗物质的总量以及暗能量的总量。
前两者可以通过经典的引力作用共同减缓宇宙膨胀，而暗能量则是真空中的反引力作用，会加速宇宙的膨胀。
对宇宙未来命运的思考还可以通过另一种方式进行，一种取决于几何而不是引力作用的方式。在这里，决定宇宙命运的是宇宙基本结构的3种可能形状：封闭式、平直式和开放式。
哪种形状代表了我们生活的实际宇宙呢?我们提出的不是一个理论问题，而是一个经验问题。我们需要进行一些测量然后才能在3种形状中做出选择。
▲ 宇宙的形状会影响它的命运。宇宙到底是封闭（左）、平直（中）还是开放（右）的呢?目前所有的证据都指向平直宇宙。我们可以检测两条平行线在一段距离内是否保持平行，这只需要用到中学几何的知识。从上图中可以看到，很明显只有在平直宇宙中平行线才会一直平行。在封闭的宇宙中，平行线在延长后会相交，类似于地球表面的经线。尽管在技术上不可能通过发射激光束并观察它们在远距离传播后是否相交来进行这样的测量，但我们可以使用已经传播了超过130亿年的光子——宇宙微波背景辐射来进行验证。事实上，分析这些微波光子的天体物理学家已经给出了答案：我们生活在一个平直的宇宙中。
这个简单的事实却蕴含了宇宙将如何终结的深刻奥义。
宇宙由哪些成分组成?
现在我们知道了宇宙是平直的，并且没有足够的引力来阻止使其闭合，下一个浮现在我们脑海中的问题可能就是组成宇宙的各种成分是什么?让我们依次看看构成宇宙的每一部分。
重子物质：5%
重子物质是由普通粒子组成的物质，我们对它们早已经习以为常了。恒星、行星、小行星、彗星、星际尘埃云、黑洞，包括我们自己，都是由重子物质构成的。
但这种熟悉的物质形式仅占宇宙的5%左右——这是一个发人深省的事实。这意味着在整个科学史上，从最早的文明到现在，众多科学家穷尽毕生精力所探索的不过是整个宇宙的很小一部分。不过从另一个角度说，几千年来我们已经对什么是重子物质以及它们的行为方式有了很好的了解。我们为人类探索这5%的宇宙所取得的成就感到自豪。
暗物质：27%
把它称为暗引力可能更合适，因为或许这才是它的本质。但暗物质这个术语已经约定俗成，因此我们在后面也会顺其自然地继续使用。宇宙中的暗物质只占不到30%。
尽管我们不知道暗物质是什么，但我们知道它能做什么——更重要的是，它不能做什么。我们知道它与普通物质之间有引力作用，稳定着星系和星系团的结构。它还会使光线发生偏折，引发引力透镜效应，该效应最早由爱因斯坦预言。
暗物质不与电磁波（光）发生相互作用，理论家对它的本质有一些猜想。目前的大多数猜想都假设暗物质是由某种难以捉摸的基本粒子组成的，但目前所有的实验（无论多复杂）都未能检测到暗物质粒子的踪迹。
暗能量：68%
暗能量既是宇宙中占比最大的成分，也是我们了解最少的成分。
▲ DEAP-3600（氩脉冲形状暗物质实验）探测器是一个极其灵敏的暗物质探测器，位于加拿大安大略省的一个镍矿深处，深度超过1.6千米。我们只知道它能起到一种反引力的作用，将星系分开，加速宇宙的膨胀，并且在宇宙中均匀分布，仅此而已。以下介绍关于暗能量本质的两种比较流行的解释。
其中最流行的解释是它代表了真空的能量。在广义相对论的早期版本中，爱因斯坦引入了一个称为宇宙学常数的术语来考虑这种可能性。如果把宇宙学常数当作真空的能量，用量子理论计算得到的与宇宙学常数对应的真空能量，跟实际天文观测的结果相差了10倍——1后跟了120个零。很难想象在理论和观测之间可以出现如此大的差距。事实上，这可能是物理学史上错得最离谱的理论预测。
暗能量的另一种解释，称为精质（quintessence），这个名字来自古希腊哲学。该理论认为除了熟悉的土、气、火、水这4种元素，还有只存在于众神领域的“第五元素”。理论家认为暗能量可能是一种充满宇宙空间的新型流体，其作用是加速宇宙膨胀。
无论暗能量是什么，它都占了全宇宙的三分之二。
宇宙可能的结局
一般而言，宇宙以何种方式终结取决于宇宙到底是开放、封闭还是平直。在闭宇宙中，宇宙的膨胀在未来的某个日期会停止并逆转。宇宙中的物质开始聚拢，坍缩成最初的形态——一个密度无限大的奇点，这种情况称为大挤压。紧随其后的是新的扩张过程，即大反冲。因此，闭宇宙其实就是一个循环宇宙。这种观点很有趣，但目前收集到的所有数据都告诉我们，我们生活的宇宙并不是一个封闭系统。
宇宙其余两种可能的结局，无论是平直宇宙还是开宇宙，都取决于暗能量的性质。在宇宙早期的历史中，大量的普通物质和暗物质挤在一起，在任何空间尺度上，引力都是绝对的主导力量，无论当时的暗能量以哪种形态存在都无法显现其威力。随后，宇宙踩下了刹车，膨胀减速。到宇宙演化至大约50亿岁时，普通物质和暗物质已经扩散得非常稀薄，削弱了引力对宇宙的支配地位。这为暗能量超越引力、成为宇宙新的主宰铺平了道路，宇宙的膨胀开始加速。目前我们仍处于由暗能量控制的加速膨胀时代。
在这里，我们想知道暗能量是不是有限的。宇宙的命运取决于这个问题的答案。
如果暗能量的总量是有限的，那么它的影响会随着宇宙的膨胀而减弱。在这种情况下，引力最终将再次主导宇宙的演化，膨胀将减慢但永远不会结束，正如平直宇宙所预言的那样。
然而，或许暗能量的数量会随着宇宙的膨胀而增加——这可能是真空本身的特性。宇宙膨胀得越大，引力就越小，而真空也越来越多，暗能量相对于引力的强度就越大。
这种情况下宇宙的膨胀最终会加速到完全失控的程度，导致可怕的结局，称为大撕裂。一些理论预测大撕裂将在大约220亿年后发生。
在宇宙加速膨胀的过程中，先是星系之间的距离越来越远，随后空间的膨胀使星系内的恒星也逐渐分离。在大撕裂发生前3个月，太阳系解体。在大撕裂发生前30分钟，物质中原子之间的空间会增大到让所有物质实体（行星、岩石、人体等）全都撕裂的程度。最后，无情的反引力甚至会将这些原子撕裂，只留下基本粒子飘荡在前所未有的虚空之中。
在对暗能量取得进一步认识之前，我们将无法确定宇宙的膨胀最终以何种状态终结。
时间地图的边缘
我们已经达到了目前所知理论知识的极限。除此之外，我们不得不效仿中世纪地图绘制者的技术，当他们到达已知世界的边界时，会在地图边缘写下“在此之外，充满猛龙”，然后收工。
在地球上见证宇宙的终结
整个欧洲的灯都熄灭了。
——英国外交大臣爱德华·格雷（EdwardGrey）爵士，1914年。
用抽象的科学术语谈论宇宙的终结是一回事，而想象地球上的人在宇宙终结时看到的景象则是另一回事。因为物理定律此时正在终结宇宙中的一切，为了避免一些不必要的争论，我们只能假设地球上宇宙终结的见证者适当屏蔽掉了物理定律的影响，并且寿命长到可以见证整个宇宙终结的过程。在那时荒芜的宇宙中，我们也会看到各种烟花一般的壮观天象，但总体来说星空还是会逐渐变暗。我们在本节开篇引用了格雷爵士在第一次世界大战开始时所说的话，未来宇宙的荒凉景象会与此类似。
在接下来的几十亿年中，除了太阳逐渐变亮并影响地球，我们并不会看到其他特别的事情。但此后，我们将开始注意到星空中的一些新天象。当仙女星系越来越靠近并且准备与银河系相撞时，它将变成越来越大的模糊光斑。这两个星系因为受到引力影响，形态开始扭曲。但正如我们前面指出的，它们后续的一系列碰撞可能不会对太阳或太阳系产生太大的影响。恒星之间的距离太远了，宿主星系的碰撞对它们而言无关紧要。
当太阳最终成为白矮星后，我们会注意到另一个现象：天上的恒星开始渐渐消失。
每颗恒星的生命都始于核心中发生的氢聚变，并在燃料耗尽时以白矮星、超新星或黑洞的形式结束其一生。大约50亿年后，我们的太阳将成为在太空中冷却的残骸，靠电子的支撑抵抗引力。
电子将不离不弃地支持太阳的余生，但最终太阳会冷却到与宇宙空间相同的温度，并不再发出任何波段的辐射。它彻底走向了黑暗。同样的命运也在等待着其他所有恒星，无论它们从哪条路演化，最终的结局都一样。
此外，随着恒星的消亡，我们注意到遥远的星系也在消失。宇宙膨胀的整体加速使星系之间的距离越来越大。最终，每个星系与地球之间的距离都会到达一个临界点，以至于它们发出的光线将永远无法到达地球。就像恒星一样，星系也一个接一个地消失。
最后，漆黑寒冷的宇宙围绕着我们，其中还有稀疏的基本粒子和蒸发中的黑洞。
▲ 加拿大阿尔伯塔省亚伯拉罕湖的夜晚，北极光洒落在湖面的冰缝上，让人联想到宇宙最后的结局：只剩下冰冷与黑暗的虚空。END
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