宇宙的未来
宇宙的未来
Fred.C. Aclams & Gregory Loughlm
Translated by Cui Bin
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在过去的几十年中，天文学家们已逐渐认识到现在宇宙的年龄约为100亿至150亿年之间，这段时间若与人类历史或者地质年代相比简直太长了。但从某种意义上说，宇宙仍然是个新生儿，人生历程才刚刚开始，宇宙自身许许多多的神奇故事还没有上演呢！
随着时间的推移，宇宙将改变它现有的特征，一系列激动人心的天文事件将会发生，最终我们现在这个由恒星和星系统治的世界将让位于由怪异的冻结的星体、不断蒸发着的黑洞及孤独的星系般大小的原子组成的宇宙。
在天文学家们的日常工作中，经常讨论一些也许多少亿年也不会发生的事情。比如，根据恒星演化的理论，在大约11亿年以后，我们的太阳将变得非常热，被煎熬的地球由于不再适于生命的存在而变得一片荒凉。70亿年以后，它将成为一个庞大的红巨星。接着在随后的几亿年的时间里，它将耗尽自己的核能，外壳变暗成为一颗白矮星，进而开始了一个漫长的逐渐暗淡的过程。
这些严肃的事实让人不禁会问是不是天上所有的星星都有一天会走到自己生命的尽头？是否有一天每颗星都已熄灭而又没有更多的产生出来？如果所有的星都逝去了，宇宙中将会发生什么事情？生命会在一个无星的环境中存在吗？生命的是否还有其它奇怪的形式？并且很快我们就会问到这样一个终结问题：宇宙是否存在一个最终状态，在此以后又重新开始的可能也没有？
以上这些问题中部分问题的答案正在逐渐变得清晰。
大致而言，宇宙的前途有三种可能：封闭、平直和开放。对封闭宇宙猛烈的攻击始自1969年Martin Rees（现在是英国皇家天文学家）的一篇开创性的文章。而后，Iamal Islam和Freeman Dyson推动了开放和平直宇宙模型的长远发展。
在此，根据Rees, Islam, Dyson的理论以及现在人类对物理和天文的最新理解，为大家描绘出遥远未来宇宙的一幅图像。正象我们的描述与前人的描述在一些细节上有所不同一样，随着天文学与物理学的发展，这些描述同样也会被重写。
一个开放的宇宙
大爆炸理论空前成功地解释了我们现在的宇宙及其特性，特别是在有关宇宙膨胀、微波背景辐射及各种轻元素的不同丰度等方面，而几乎所有的通常意义上的物质都是由这些轻元素组成的。
始自大爆炸的宇宙将面临三种不同的命运：一个封闭的宇宙将由于自身引力作用而最终走向塌缩，开放的宇宙将永远膨胀下去，平直宇宙则介于二者之间，它也会永远膨胀下去，膨胀速度不断减慢，但永远不会达到静止。
最后的结局从宇宙开始就已决定了。它取决于宇宙的总体密度，一个被宇宙学家称做 W0 的值。平直宇宙，处于准确的平衡状态，其W0 值被定义为1。如果W0 大于1，哪怕仅超过一点点，宇宙就会拥有足够的质量也可说是能量，从而靠其自身引力阻止膨胀的趋势，把所有的物质捡回到一个难以想象的奇点，如果W0小于1，宇宙正以快于其 “逃逸速度”的速度在膨胀， 且会继续膨胀下去。
我们到目前还没有完全确定哪一种可能性是正确的。但一个最终判决正在到来，基于近来几种方式的天文观测表明W0在0.2至0.3之间。这么低的值的可能性很大。许多理论学家倾向于W0等于1。但不论观测还是理论都没有得出过大于1的结论。
如果W0 小于或等于1，那么宇宙将会存活足够长的时间以允许许多有趣的事件发生。封闭的宇宙则不会让所有激动人心的事件全部发生。在这篇文章中，我们暂且认为宇宙会永远膨胀，并可以持续到无穷的时间。
暴胀时代
对于宇宙的极早期，我们知之甚少，虽然如此，现代物理还是把答案归咎于大爆炸。理论物理学家已经提出了一些看似可行的观点来解释宇宙的开始。一般认为存在许多次大爆炸，而非仅一次，不断地从以前形成的时空中产生出来，每次大爆炸，宇宙都迅速胀大，并从产生它的母体中分离，这个新的宇宙与其它宇宙相互隔离并且是以其自有的方式演化。
对于我们存在的这个宇宙，对数时间轴有一个确切的始点：10－44秒，这个时间称普朗克时间，被认为是时间的量子单位，不能把时间划分得比这儿再小了，正如一种基本粒子电子不能再分隔成更小的成分一样。
根据现有理论，时间轴上下一个重要的事件发生于10－7量级之后，即10－37秒的时候，在此时新生的宇宙具有难以置信的高温和密度。超高能量的量子场使空间以很大的加速度在膨胀。与此同时，产生了非常小的密度起伏，否则这个微小寂寞的宇宙将充满光滑又毫无特征的能量场。这些微小的变化随空间的膨胀而保留了下来。它们以后便成为了我们现在所看到的星系、星系团和大尺度结构的种子。在10－32秒的时候，这样的暴胀停止了，随后宇宙膨胀的步子温和多了。
这里要提醒大家注意的是：暴胀理论预言的宇宙W0 等于1，至少也是理论的最简单情况。物理学家正设法使这种理论能产生出开放的宇宙来。
辐射为主的时代
下一个不断冷却且不断膨胀的时代持续了1043个数量级，直至宇宙的年龄为一万年，在这段时间里，宇宙中除了光滑单一的辐射海洋外，几乎一无所有，我们熟悉的天体，如恒星和星系，现在还没有诞生。
在以辐射为主的时代中，许多重要的事件奠定了我们现在所知宇宙的性质，例如：复杂粒子的相互作用使得正物质比反物质稍稍多了一点。反物质和几乎所有的正物质都相互湮灭了。残留下来的一些正物质便形成了我们知道的这个宇宙。
大爆炸后数分钟时，冷却的初期原初汤已开始形成轻元素的核，包括氢、氘、氦和锂。核物理定律对标准大爆炸模型在这时期的温度、压强和密度已经开始适用。因此我们可以准确地计算所应产生的原初汤的成份。计算结果与我们实际所观测到的宇宙中最古老物质的成份是相符的。
当不断减少的辐射能量密度低于物质的能量密度时，辐射为主的时代就结束了。
以上情况不久，另一有划时代意义的事件便发生了。在宇宙年龄为30万年时，宇宙的温度第一次下降到了可以让整个原子（特别是氢原子）得以形成并保持下来的程度。在此之前，温度太高了，即使有一电子与原子结合在一起也会很快被撞为自由电子的。宇宙转化为由中性氢构成的这一时期被称做“复合时期”。
这个过程很重要，因为这是第一次把宇宙从辐射中解放出来，还之以透明。在此这前，宇宙是不透明的，辐射不断地与物质粒子相互作用。由于气体氢是透明的，所以这时的辐射可以自由飞翔了。首次以自由光的形式传播。今天我们观测到的微波背景辐射就是复合时期遗留下来的。由于其强度大大减弱，该辐射已经产生了很大的红移。
由此开始，那些没有被漫布宇宙的辐射之海所平滑掉的物质密度的起伏开始产生结构，我们熟悉的天体，像恒星和星系开始形成。
恒星时代
恒星时代意味着这是一个“充满恒星”的时代，在该时代中，宇宙中产生的大部分能量来自于普通恒星的核聚变。恒星不断地形成、演化和死亡。我们目前就生活在恒星时代的中期。
第一代恒星可能形成于宇宙仅有几百万年历史的时候（虽然这类属于“星族III”的恒星到目前还没被证实）。在随后的几十亿年间，最初的星系开始出现，并逐渐形成星系团、超星系团和大尺度结构。在很多星系内部，恒星形成过程以惊人的速率发生。许多年轻的星系还经历着与其贪婪的中心黑洞有关的剧烈过程。黑洞会把落入其魔爪的恒星撕裂，并把它们变成由热气体组成的围绕其自身的吸积盘。在时间的长河中，大多数的类星体和活动星系核逐渐死去。我们的太阳和太阳系形成得稍晚，大约在45亿年前，这时银河系已经存在了相当长的一段时间了。
在我们太阳系演化的过程中，不能不提的一个事件是当太阳耗尽其氢燃料后，重新调整自身结构并形成一颗红巨星。计算机模拟结果表明太阳表面将会令人伤心地膨胀到几乎足以吞没我们的地球。在此之前的几十亿年期间，由于太阳亮度的慢慢增长，地球上已是一片荒芜。由于太阳表面接近地球，强大的热量将使地壳熔化，毁灭所有曾经存在于这个行星表面的生物和文明留下的证据。
然而，地球也在以各种可能的方式脱离这场灾难。成为红巨星的太阳将以很强的太阳风的形式抛弃大量物质。随着胀大的了太阳把它的物质丢弃在太空，地球的轨道也会逐渐扩展一些，到一个稍安全些的地方，也许会变得和目前火星的轨道大小差不多。
与些同时，在更大的尺度上，星系之间的碰撞和合并也在继续，然而这对星系中的单个恒星或行星并没有多少影响。据估计，60亿年后，我们的银河系将与M31，即仙女座大星云产生相互作用，即使那次不会合并，在更久远的未来这种命运也是难以逃脱的。这两个星系是很明显地由引力作用束缚在一起的一对儿，两者合并为一个更大的系统仅是一个时间问题。
对很多存在于星系团中的星系来说，相似的命运在等待着它们。在以后几个宇宙时代里，当时间以太年（即1012年）来计算时，星系团也将合并，并让位于更大的不定形的类星系系统，在一些富星系团中，这样的过程已经开始上演了。
随着恒星时代的继续，一个关键性的角色将落到一类最不起眼儿，最通常的星体上，这就是红矮星。这类星的质量不足太阳质量的一半，但由于其数量庞大，它们的总质量很容易就超过其它星体质量的总和。尤其需要指出的是，这些红矮星在把它们的氢燃烧成氢的过程中，可是真正的吝啬鬼。它们节省着自己的燃烧，以至于在九太年之后它们中的最节俭的成员还在闪闪发光。到那时，所有大一些的星都早已燃尽而变成象冰冷的白矮星这样的残渣或者以超新星的形式炸毁了。
红矮星的长期演化与太阳这样更重些的恒星是不同的。最小的恒星在把自身的氢燃烧成氦的过程中，其亮度和温度都增加得非常缓慢，而不是很快膨胀并变成红巨星。一个很有趣的巧合：一个0.2太阳质量的恒星将经历一个相对平淡的人生，直到将近生命的尽头。在这期间，它的大小、温度、光度都几乎不变，其数值与今天的太阳差不多。
小质量星将在遥远的未来经历长时间的逐渐加热过程。在以后的某阶段，它们将比现在这种虚弱状态明亮得多。这也许需要几十亿年的时间，比如，一个0.16太阳质量的恒星在以后55亿年期间，其亮度将从现在太阳亮度的10％增加到25％，这段时间已足够在所有合适的行星上产生生命，比如我们的地球。在此之前，这些行星将在寒冷的状况下呻吟，因为这需要最小的恒星花几太亿年的时间在低温的主序阶段缓慢的进化。我们大胆地设想假如我们能到达这样一个遥远未来中的行星，我们会发现一个和现在地球差不多的世界被照耀在阳光下，但那时的夜晚的天空将是一片空白，好象没有一颗星。
最后，即使是最小质量的红矮星也燃尽了它的氢，而以低质量氦白矮星的形式结束它的生命。今天处于主序最低层的星，其质量仅有太阳的百分之八，它的主序阶段将持续10太年，而以后又该如何呢？
一个星系只要它能不断地得到星际气体这种原料，它就能维持星系内恒星的不断产生，随着恒星时代星风的减弱，恒星形成率也在不断下降。虽然这种趁势相当缓慢，10到100太年之后（这段时间相当于最长寿命的恒星的生命期），宇宙中的氢气将耗尽，普通恒星的形成过程也永远不会再有了。
最后阶段产生的恒星们将是经历过许多代恒星演化循环的气体聚合而成的。因此，在这些后天恒星中，比氢和氦重的元素的含量会很高。当氧在恒星混合物中的含量足够高时，具有0.04个太阳质量的天体会在它的上层大气中形成厚厚的冰云，从而停止自身的收缩。核心因微量的核聚变而产生的热与从表面散失的能量保持平衡，使云层保持温热。这是些很怪异却真的很冷具有冰大气的天体。
当最后一颗红矮星也暗淡后，恒星时代也就结束了，这时宇宙的年龄大约是100太年（1014年），天空中已没有一颗闪亮的恒星了。
简并时代
这个时代，恒星演化过程已经终结，宇宙中绝大部分的物质都被禁锢在简并天体中。本文中，“简并”指的是物质的一种特殊的量子力学状态，与伦理、道德等毫无关系。简并物质的存在形式包括冰冷的褐矮星、白矮星以及中子星。黑洞也可以包含一些以前恒星的物质。
褐矮星是一种“不称职”的星，因为质量太小而不能维持氢聚变，它们一开始就具有简并的核，进入简并时代，它的形式没有发生变化，仅是更冷了一点儿。白矮星是大多数普通恒星的余烬。质量在0.08到8个太阳质量之间的恒星都将演化成白矮星。无论褐矮星还是白矮星其数量都可与现在星系中的恒星数量相比。因为白矮星的质量更大些，所以它将包含宇宙中的大部分通常物质。
质量大于8个太阳质量的恒星将以超新星爆发的形式死亡，它们经常会留下一个微小而致密的中子星，或者一个恒星级黑洞。在大多数星系的中心还存在一种更大质量的黑洞。这些黑洞的质量从几百万到几十亿个太阳质量不等。
在整个简并时代宇宙都是冰冷而黑暗的。因为没有任何源发出辐射来照亮漫漫的黑夜，来温暖长期冰冻的行星或者把光热赋予星系。宇宙的温度仅比绝对零度稍偏上一点儿。
尽管如此，在漆黑一团的背景中，一些有趣的事件仍将会发生。偶然的遭遇将分散这些由死星构成的星系的轨道。通过这些分散作用的缓慢累积，星系或者超级星系将会调整其结构。一些星将会得到轨道能量（动能）而向外运动，同时一些星会失去能量向星系深处落去。相距很近的遭遇还会把死恒星的行星掠走，使它们自由地飞翔。在宇宙从1019年到1020年演化的期间，绝大多数的暗恒星余烬将会从星系或超星系中脱离出来，漂泊于星系际之间，从而获得了很大程度上的自由。对于松散的行星以及诸如小行星这样的小天体，类似情况也会发生。为数不多的不幸的大质量死星将会被星系中心的黑洞所吸积。在整个简并时代，各种大小的黑洞由于它们不断吞并一些误入歧途的质量而在逐渐增大。
当两颗褐矮星相互碰撞而产生一个低质量红矮星和围绕这颗星的新的行星系统时，会发出一些微弱的光。这颗新的红矮星将会生存几太年。但这段时间与我们当前讨论的宇宙的年龄相比仅仅是一瞬间而已。对于像银河系这般大小的星系，在那个时代任意时刻会有10到100颗这样的星存在，由这些星提供给整个星系的能量比今天太阳发出的能量还要略少些。
此外，平均每一太年，对一个特定星系来说会由于两颗较大质量的白矮星碰撞和合并而经历一次闪光持续数星期的超新星爆发。今天一颗超新星爆发会给我们留下深刻的印象。到那时，这样的事件更将会无比的壮丽。因为那时宇宙一片漆黑，星系在逐渐死亡，越来越没有生气。
白矮星碰撞最一般的产物并不是一颗超新星，而是一种很不寻常的星。如果碰撞产物不小于0.3个太阳质量，并且碰撞给该天体注入了足够的能量，那么在这颗星的核心会把氦点燃。同样，当碰撞产物的质量在0.9~1.4个太阳质量，则会把星内部的碳点燃。星体碰撞过程会一直持续到星系把它所有的星都抛出为止。此时宇宙的年龄已到了1020年的量级。
随着宇宙年龄的继续增长，引力辐射的作用变得明显起来。这种耗时的作用使各种各样的轨道运动失去能量而变得越来越衰弱，一个初始间距为一个天文单位的双星系统经过1020年的引力辐射作用，会逐渐抢劫轨道能量进而合并在一起。轨道较小的行星也有同样的情况发生。星系中心区域星体轨道的衰弱过程需更长的时间。由于缺少竞争的作用(In the absence of competing effects)，它们将会持续1025年甚至更长。这依赖于那时星系中的所剩质量的多少。
在简并时代，另一种东西也许会变得重要起来。这就是不知以何种形式存在的暗物质，它们存在于星系周围的扑朔迷离的晕中。最有可能的暗物质候选体是物理学家们设想的“弱相互作用大质量粒子”（weakly interacting massive particles, WIMPs）， 这些粒子最终将被暗乎乎的白矮星扫光。一旦落入白矮星的陷阱，弱相互作用大质量粒子将会湮灭，从而做为能源提供能量。实际上，暗物质的湮灭将会取代恒星内传统的核燃烧，成为宇宙以后的生涯中占统治地位的产能机制。一颗代表性的由弱相互作用大质量粒子提供能量的白矮星，其表面温度大约为64K，比液氮稍冷。
到1030年或更早一些，WIMP将被耗尽。WIMP湮灭这种供能方式也不复存在了。宇宙的存货已仅限于白矮星、褐矮星、中子星、死去的更加分散的行星和岩石。这都是些极冷极黑的家伙。
下一步会怎样呢？正像故事的开始那样，情况变得更加难以推测了。
质子，曾被认为像电子一样是永恒的。但仅到此而止，许多“大统一理论”预言质子的寿命是有限的，在1030到1040年之间。一些其它的过程（例如量子引力论中的虚黑洞机制和弱电理论中不同真空状态间的隧道机制）允许质子有更大时间尺度的衰变过程，从1046到10200年。质子是重子，因此重子数是不守恒的，以允许它们衰变。因为我们的宇宙中正物质比反物质多一点，所以只有在宇宙早期的大爆炸中重子数的不守恒才能产生今天的物质重子数的不守恒，使得质子（还有中子都）不会永远存在下去。( 因为我们的宇宙看起来物质比反物质多，在宇宙中存在重子数的破缺，质子还有中子都不会永远存在下去。因此，没有什么由通常物质构成的东西，包括原子会得到永恒。
为了明确起见，在本文中我们假定质子的寿命为1037年，但读者需明白，到目前为止，质子寿命还没有被实验测量出来。
质子衰变标志着简并时代的最后阶段。蕴藏在白矮星、中子星及其它个体中的质量能，将随着组成它们的质子衰变为正电子，中微子、p 介子 和g 光子而消失。一颗白矮星，质子衰变提供的功率约为400瓦，足够驱动几只灯泡。但这些能量是从白矮星那么大的表面上发出的，因此，白矮星的温度也仅比绝对零度高一丁点儿。
随着质子衰变消灭所有物质，简并时代落下帷幕，更黑暗、更空洞无物的宇宙要再一次改变特性了。
黑洞时代
现在留下来的质量天体只有黑洞了。它们没有受到质子衰变的影响，从简并时代幸存下来。
随着白矮星不断气化和消失，黑洞吸收这些物质而变得更大一些，然而黑洞也不是长生不老的。它们最终会通过一种被称作霍金辐射的缓慢量子力学过程气化掉。虽被称为黑洞，但它并非全黑。黑洞表面靠发射一种光子热谱和其它粒子来发“光”，形象地称该过程为蒸发。
蒸发强度依赖于黑洞表面的曲率，也可说是黑洞的大小和质量，一个恒星级黑洞的蒸发是极其轻微的。黑洞不断蒸发和收缩，蒸发速度将加快，最后将以g 射线闪光的形式结束。
一个太阳质量大小的黑洞，其表面温度仅有10－7K，存在时间达1065年，一个像今天大星系质量大小的黑洞的表面温度则仅有10－18K，其蒸发过程会持续1098－10199年之久，当其生命快要终结之时，这时它已变成一个不断收缩的微型黑洞。微型黑洞的表面温度相对较高，在不到一毫米空间大小中能保持室温达1035年，最大黑洞的蒸发完毕，标志着黑洞时代的结束。
黑暗时代
粘结在一起的东西已经不存在了，宇宙对于从光子到黑洞的所有物质来说都是空空如也。偶然会发现一点儿以前时代残留下来的不久也将消失的“垃圾”，例如，红移到巨大波长的光子，很少的中微子、电子和正电子，粒子间的距离都大得难以想象，活动已几乎没有了。粒子间的空间尺度大得你想一想都会感到吃惊。
在空间漂游的电子和正电子，偶尔会闯入对方的势力范围，从而形成一种正电子原子（positronium atom）－－－电子和正电子相互环绕－－－它的大小比我们今天看到的整个宇宙还要大。这种巨大而单薄的原子是很不稳定的，电子和正电子会相互旋入并以极长的时间尺度而最终湮灭。另一些低水平的湮灭也有可能发生，只是更缓慢而矣。这些事件偶尔会产生高能的光子。宇宙的膨胀仍会把这些光子红移到低能量状态去。
与其过去放荡的生活相比，宇宙现在过着一种保守而孤独的生活。难道不是吗？眼前的这种落迫残景仅是我们不全面的推测吗？
哥白尼时间原理
我们所熟悉的这个世界在宇宙的演化中只是短暂的一瞬，有恒星提供繁衍生息的能量，有行星提供生活的空间，目前的环境对生命来说太友好了。这不免让我们自然而然地认为当前的时代会具有某种特殊地位。某些人还会强调说我们的时代是一个特殊时代，是真正丰富多彩的时代。这是一个唯一能让生命存在并被这些生命所探寻、理解的时代。笔者不同意这样的观点，相反，我们接受“哥白尼时间原理”的观点，即目前时代在宇宙年代中没有任何特殊地位。换句话说，有趣的事件随着宇宙的演化和变迁会继续发生。
通常来说，宇宙要面对能量和熵产生的减少而带来的影响（后者为复杂系统例如生命的产生、繁衍提供了可能〕。但是宇宙这种趋势被每个宇宙时代大尺度的时间延续所抵消了。
用另一种方式来说，我们相信物理定律不能预言宇宙会达到一个最终的、完全静止的状态。更确切些说，我们怀疑有趣的物理过程在我们敢于设想的未来中会不断发生。
哥白尼时间原理的观点，是我们对宇宙认识的又一个自然扩展，我们目前对宇宙的认识在历史上就被不断扩展深入。在16世纪人类对宇宙的认识发生了一次革命性的变革。在那时以前人们都认为地球是宇宙的中心，哥白尼却提出反驳说地球不是宇宙中心。他正确认识到地球只不过是绕太阳公转的数颗行星中的一颗。后来人们又知道了太阳也仅是银河系数千亿颗恒星中的一员。我们知道这些星中的一部分也同样拥有自己的行星。此外，银河系本身也仅是在由无数星系组成的宇宙中随机地占了一小块地方。
地球中心地位的不断降级导致了一个不可更改的结论：我们的星球在整个宇宙中没有丝毫特殊地位。哥白尼时间原理把这个观点从空间推广到了时间。正像我们的星球以及我们人类没有任何特殊地位一样，现在的宇宙时代在漫漫的宇宙生涯中也没任何特殊之处。这个原理使以人类为中心的观点彻底破灭了。
关于生命的延续
人们正在艰难地认识到人类灭绝是可能的。核军备竞赛、自然灾害、致命病菌等这些摆在人们面前的威胁人类生存的因素，期望在谨慎而大胆地为人类造福的考虑下能有所突破。更长远一些，我们会担心诸如小行星、彗星碰撞或者是g 射线暴之类的天文事件。你也可以乐观的期望火箭输送、太空移民，甚至整个的星系征服。这样我们的后代（也许是以更快速度进化的人类的继承者）就可以逍遥地生活，能对付各种灾难。
但是生命能离开恒星而存在吗？能有某种形式的智能生物可以逃避质子衰变吗？能有生命幸存于最后不断蒸发并最终变得空无的黑暗时代吗？
生命是否能最终存在，以及宇宙是否会发生最后的湮灭，把所有的意识、精神、思想还有这些东西曾经存在过的记录全部毁灭。这些想法都包含有极大的猜测。在本文中我们仅讨论了物理世界的未来。剩下的故事：生命的未来，我们留在以后再说。
Fred.C. Aclams & Gregory Loughlm
Translated by Cui Bin
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在过去的几十年中，天文学家们已逐渐认识到现在宇宙的年龄约为100亿至150亿年之间，这段时间若与人类历史或者地质年代相比简直太长了。但从某种意义上说，宇宙仍然是个新生儿，人生历程才刚刚开始，宇宙自身许许多多的神奇故事还没有上演呢！
随着时间的推移，宇宙将改变它现有的特征，一系列激动人心的天文事件将会发生，最终我们现在这个由恒星和星系统治的世界将让位于由怪异的冻结的星体、不断蒸发着的黑洞及孤独的星系般大小的原子组成的宇宙。
在天文学家们的日常工作中，经常讨论一些也许多少亿年也不会发生的事情。比如，根据恒星演化的理论，在大约11亿年以后，我们的太阳将变得非常热，被煎熬的地球由于不再适于生命的存在而变得一片荒凉。70亿年以后，它将成为一个庞大的红巨星。接着在随后的几亿年的时间里，它将耗尽自己的核能，外壳变暗成为一颗白矮星，进而开始了一个漫长的逐渐暗淡的过程。
这些严肃的事实让人不禁会问是不是天上所有的星星都有一天会走到自己生命的尽头？是否有一天每颗星都已熄灭而又没有更多的产生出来？如果所有的星都逝去了，宇宙中将会发生什么事情？生命会在一个无星的环境中存在吗？生命的是否还有其它奇怪的形式？并且很快我们就会问到这样一个终结问题：宇宙是否存在一个最终状态，在此以后又重新开始的可能也没有？
以上这些问题中部分问题的答案正在逐渐变得清晰。
大致而言，宇宙的前途有三种可能：封闭、平直和开放。对封闭宇宙猛烈的攻击始自1969年Martin Rees（现在是英国皇家天文学家）的一篇开创性的文章。而后，Iamal Islam和Freeman Dyson推动了开放和平直宇宙模型的长远发展。
在此，根据Rees, Islam, Dyson的理论以及现在人类对物理和天文的最新理解，为大家描绘出遥远未来宇宙的一幅图像。正象我们的描述与前人的描述在一些细节上有所不同一样，随着天文学与物理学的发展，这些描述同样也会被重写。
一个开放的宇宙
大爆炸理论空前成功地解释了我们现在的宇宙及其特性，特别是在有关宇宙膨胀、微波背景辐射及各种轻元素的不同丰度等方面，而几乎所有的通常意义上的物质都是由这些轻元素组成的。
始自大爆炸的宇宙将面临三种不同的命运：一个封闭的宇宙将由于自身引力作用而最终走向塌缩，开放的宇宙将永远膨胀下去，平直宇宙则介于二者之间，它也会永远膨胀下去，膨胀速度不断减慢，但永远不会达到静止。
最后的结局从宇宙开始就已决定了。它取决于宇宙的总体密度，一个被宇宙学家称做 W0 的值。平直宇宙，处于准确的平衡状态，其W0 值被定义为1。如果W0 大于1，哪怕仅超过一点点，宇宙就会拥有足够的质量也可说是能量，从而靠其自身引力阻止膨胀的趋势，把所有的物质捡回到一个难以想象的奇点，如果W0小于1，宇宙正以快于其 “逃逸速度”的速度在膨胀， 且会继续膨胀下去。
我们到目前还没有完全确定哪一种可能性是正确的。但一个最终判决正在到来，基于近来几种方式的天文观测表明W0在0.2至0.3之间。这么低的值的可能性很大。许多理论学家倾向于W0等于1。但不论观测还是理论都没有得出过大于1的结论。
如果W0 小于或等于1，那么宇宙将会存活足够长的时间以允许许多有趣的事件发生。封闭的宇宙则不会让所有激动人心的事件全部发生。在这篇文章中，我们暂且认为宇宙会永远膨胀，并可以持续到无穷的时间。
暴胀时代
对于宇宙的极早期，我们知之甚少，虽然如此，现代物理还是把答案归咎于大爆炸。理论物理学家已经提出了一些看似可行的观点来解释宇宙的开始。一般认为存在许多次大爆炸，而非仅一次，不断地从以前形成的时空中产生出来，每次大爆炸，宇宙都迅速胀大，并从产生它的母体中分离，这个新的宇宙与其它宇宙相互隔离并且是以其自有的方式演化。
对于我们存在的这个宇宙，对数时间轴有一个确切的始点：10－44秒，这个时间称普朗克时间，被认为是时间的量子单位，不能把时间划分得比这儿再小了，正如一种基本粒子电子不能再分隔成更小的成分一样。
根据现有理论，时间轴上下一个重要的事件发生于10－7量级之后，即10－37秒的时候，在此时新生的宇宙具有难以置信的高温和密度。超高能量的量子场使空间以很大的加速度在膨胀。与此同时，产生了非常小的密度起伏，否则这个微小寂寞的宇宙将充满光滑又毫无特征的能量场。这些微小的变化随空间的膨胀而保留了下来。它们以后便成为了我们现在所看到的星系、星系团和大尺度结构的种子。在10－32秒的时候，这样的暴胀停止了，随后宇宙膨胀的步子温和多了。
这里要提醒大家注意的是：暴胀理论预言的宇宙W0 等于1，至少也是理论的最简单情况。物理学家正设法使这种理论能产生出开放的宇宙来。
辐射为主的时代
下一个不断冷却且不断膨胀的时代持续了1043个数量级，直至宇宙的年龄为一万年，在这段时间里，宇宙中除了光滑单一的辐射海洋外，几乎一无所有，我们熟悉的天体，如恒星和星系，现在还没有诞生。
在以辐射为主的时代中，许多重要的事件奠定了我们现在所知宇宙的性质，例如：复杂粒子的相互作用使得正物质比反物质稍稍多了一点。反物质和几乎所有的正物质都相互湮灭了。残留下来的一些正物质便形成了我们知道的这个宇宙。
大爆炸后数分钟时，冷却的初期原初汤已开始形成轻元素的核，包括氢、氘、氦和锂。核物理定律对标准大爆炸模型在这时期的温度、压强和密度已经开始适用。因此我们可以准确地计算所应产生的原初汤的成份。计算结果与我们实际所观测到的宇宙中最古老物质的成份是相符的。
当不断减少的辐射能量密度低于物质的能量密度时，辐射为主的时代就结束了。
以上情况不久，另一有划时代意义的事件便发生了。在宇宙年龄为30万年时，宇宙的温度第一次下降到了可以让整个原子（特别是氢原子）得以形成并保持下来的程度。在此之前，温度太高了，即使有一电子与原子结合在一起也会很快被撞为自由电子的。宇宙转化为由中性氢构成的这一时期被称做“复合时期”。
这个过程很重要，因为这是第一次把宇宙从辐射中解放出来，还之以透明。在此这前，宇宙是不透明的，辐射不断地与物质粒子相互作用。由于气体氢是透明的，所以这时的辐射可以自由飞翔了。首次以自由光的形式传播。今天我们观测到的微波背景辐射就是复合时期遗留下来的。由于其强度大大减弱，该辐射已经产生了很大的红移。
由此开始，那些没有被漫布宇宙的辐射之海所平滑掉的物质密度的起伏开始产生结构，我们熟悉的天体，像恒星和星系开始形成。
恒星时代
恒星时代意味着这是一个“充满恒星”的时代，在该时代中，宇宙中产生的大部分能量来自于普通恒星的核聚变。恒星不断地形成、演化和死亡。我们目前就生活在恒星时代的中期。
第一代恒星可能形成于宇宙仅有几百万年历史的时候（虽然这类属于“星族III”的恒星到目前还没被证实）。在随后的几十亿年间，最初的星系开始出现，并逐渐形成星系团、超星系团和大尺度结构。在很多星系内部，恒星形成过程以惊人的速率发生。许多年轻的星系还经历着与其贪婪的中心黑洞有关的剧烈过程。黑洞会把落入其魔爪的恒星撕裂，并把它们变成由热气体组成的围绕其自身的吸积盘。在时间的长河中，大多数的类星体和活动星系核逐渐死去。我们的太阳和太阳系形成得稍晚，大约在45亿年前，这时银河系已经存在了相当长的一段时间了。
在我们太阳系演化的过程中，不能不提的一个事件是当太阳耗尽其氢燃料后，重新调整自身结构并形成一颗红巨星。计算机模拟结果表明太阳表面将会令人伤心地膨胀到几乎足以吞没我们的地球。在此之前的几十亿年期间，由于太阳亮度的慢慢增长，地球上已是一片荒芜。由于太阳表面接近地球，强大的热量将使地壳熔化，毁灭所有曾经存在于这个行星表面的生物和文明留下的证据。
然而，地球也在以各种可能的方式脱离这场灾难。成为红巨星的太阳将以很强的太阳风的形式抛弃大量物质。随着胀大的了太阳把它的物质丢弃在太空，地球的轨道也会逐渐扩展一些，到一个稍安全些的地方，也许会变得和目前火星的轨道大小差不多。
与些同时，在更大的尺度上，星系之间的碰撞和合并也在继续，然而这对星系中的单个恒星或行星并没有多少影响。据估计，60亿年后，我们的银河系将与M31，即仙女座大星云产生相互作用，即使那次不会合并，在更久远的未来这种命运也是难以逃脱的。这两个星系是很明显地由引力作用束缚在一起的一对儿，两者合并为一个更大的系统仅是一个时间问题。
对很多存在于星系团中的星系来说，相似的命运在等待着它们。在以后几个宇宙时代里，当时间以太年（即1012年）来计算时，星系团也将合并，并让位于更大的不定形的类星系系统，在一些富星系团中，这样的过程已经开始上演了。
随着恒星时代的继续，一个关键性的角色将落到一类最不起眼儿，最通常的星体上，这就是红矮星。这类星的质量不足太阳质量的一半，但由于其数量庞大，它们的总质量很容易就超过其它星体质量的总和。尤其需要指出的是，这些红矮星在把它们的氢燃烧成氢的过程中，可是真正的吝啬鬼。它们节省着自己的燃烧，以至于在九太年之后它们中的最节俭的成员还在闪闪发光。到那时，所有大一些的星都早已燃尽而变成象冰冷的白矮星这样的残渣或者以超新星的形式炸毁了。
红矮星的长期演化与太阳这样更重些的恒星是不同的。最小的恒星在把自身的氢燃烧成氦的过程中，其亮度和温度都增加得非常缓慢，而不是很快膨胀并变成红巨星。一个很有趣的巧合：一个0.2太阳质量的恒星将经历一个相对平淡的人生，直到将近生命的尽头。在这期间，它的大小、温度、光度都几乎不变，其数值与今天的太阳差不多。
小质量星将在遥远的未来经历长时间的逐渐加热过程。在以后的某阶段，它们将比现在这种虚弱状态明亮得多。这也许需要几十亿年的时间，比如，一个0.16太阳质量的恒星在以后55亿年期间，其亮度将从现在太阳亮度的10％增加到25％，这段时间已足够在所有合适的行星上产生生命，比如我们的地球。在此之前，这些行星将在寒冷的状况下呻吟，因为这需要最小的恒星花几太亿年的时间在低温的主序阶段缓慢的进化。我们大胆地设想假如我们能到达这样一个遥远未来中的行星，我们会发现一个和现在地球差不多的世界被照耀在阳光下，但那时的夜晚的天空将是一片空白，好象没有一颗星。
最后，即使是最小质量的红矮星也燃尽了它的氢，而以低质量氦白矮星的形式结束它的生命。今天处于主序最低层的星，其质量仅有太阳的百分之八，它的主序阶段将持续10太年，而以后又该如何呢？
一个星系只要它能不断地得到星际气体这种原料，它就能维持星系内恒星的不断产生，随着恒星时代星风的减弱，恒星形成率也在不断下降。虽然这种趁势相当缓慢，10到100太年之后（这段时间相当于最长寿命的恒星的生命期），宇宙中的氢气将耗尽，普通恒星的形成过程也永远不会再有了。
最后阶段产生的恒星们将是经历过许多代恒星演化循环的气体聚合而成的。因此，在这些后天恒星中，比氢和氦重的元素的含量会很高。当氧在恒星混合物中的含量足够高时，具有0.04个太阳质量的天体会在它的上层大气中形成厚厚的冰云，从而停止自身的收缩。核心因微量的核聚变而产生的热与从表面散失的能量保持平衡，使云层保持温热。这是些很怪异却真的很冷具有冰大气的天体。
当最后一颗红矮星也暗淡后，恒星时代也就结束了，这时宇宙的年龄大约是100太年（1014年），天空中已没有一颗闪亮的恒星了。
简并时代
这个时代，恒星演化过程已经终结，宇宙中绝大部分的物质都被禁锢在简并天体中。本文中，“简并”指的是物质的一种特殊的量子力学状态，与伦理、道德等毫无关系。简并物质的存在形式包括冰冷的褐矮星、白矮星以及中子星。黑洞也可以包含一些以前恒星的物质。
褐矮星是一种“不称职”的星，因为质量太小而不能维持氢聚变，它们一开始就具有简并的核，进入简并时代，它的形式没有发生变化，仅是更冷了一点儿。白矮星是大多数普通恒星的余烬。质量在0.08到8个太阳质量之间的恒星都将演化成白矮星。无论褐矮星还是白矮星其数量都可与现在星系中的恒星数量相比。因为白矮星的质量更大些，所以它将包含宇宙中的大部分通常物质。
质量大于8个太阳质量的恒星将以超新星爆发的形式死亡，它们经常会留下一个微小而致密的中子星，或者一个恒星级黑洞。在大多数星系的中心还存在一种更大质量的黑洞。这些黑洞的质量从几百万到几十亿个太阳质量不等。
在整个简并时代宇宙都是冰冷而黑暗的。因为没有任何源发出辐射来照亮漫漫的黑夜，来温暖长期冰冻的行星或者把光热赋予星系。宇宙的温度仅比绝对零度稍偏上一点儿。
尽管如此，在漆黑一团的背景中，一些有趣的事件仍将会发生。偶然的遭遇将分散这些由死星构成的星系的轨道。通过这些分散作用的缓慢累积，星系或者超级星系将会调整其结构。一些星将会得到轨道能量（动能）而向外运动，同时一些星会失去能量向星系深处落去。相距很近的遭遇还会把死恒星的行星掠走，使它们自由地飞翔。在宇宙从1019年到1020年演化的期间，绝大多数的暗恒星余烬将会从星系或超星系中脱离出来，漂泊于星系际之间，从而获得了很大程度上的自由。对于松散的行星以及诸如小行星这样的小天体，类似情况也会发生。为数不多的不幸的大质量死星将会被星系中心的黑洞所吸积。在整个简并时代，各种大小的黑洞由于它们不断吞并一些误入歧途的质量而在逐渐增大。
当两颗褐矮星相互碰撞而产生一个低质量红矮星和围绕这颗星的新的行星系统时，会发出一些微弱的光。这颗新的红矮星将会生存几太年。但这段时间与我们当前讨论的宇宙的年龄相比仅仅是一瞬间而已。对于像银河系这般大小的星系，在那个时代任意时刻会有10到100颗这样的星存在，由这些星提供给整个星系的能量比今天太阳发出的能量还要略少些。
此外，平均每一太年，对一个特定星系来说会由于两颗较大质量的白矮星碰撞和合并而经历一次闪光持续数星期的超新星爆发。今天一颗超新星爆发会给我们留下深刻的印象。到那时，这样的事件更将会无比的壮丽。因为那时宇宙一片漆黑，星系在逐渐死亡，越来越没有生气。
白矮星碰撞最一般的产物并不是一颗超新星，而是一种很不寻常的星。如果碰撞产物不小于0.3个太阳质量，并且碰撞给该天体注入了足够的能量，那么在这颗星的核心会把氦点燃。同样，当碰撞产物的质量在0.9~1.4个太阳质量，则会把星内部的碳点燃。星体碰撞过程会一直持续到星系把它所有的星都抛出为止。此时宇宙的年龄已到了1020年的量级。
随着宇宙年龄的继续增长，引力辐射的作用变得明显起来。这种耗时的作用使各种各样的轨道运动失去能量而变得越来越衰弱，一个初始间距为一个天文单位的双星系统经过1020年的引力辐射作用，会逐渐抢劫轨道能量进而合并在一起。轨道较小的行星也有同样的情况发生。星系中心区域星体轨道的衰弱过程需更长的时间。由于缺少竞争的作用(In the absence of competing effects)，它们将会持续1025年甚至更长。这依赖于那时星系中的所剩质量的多少。
在简并时代，另一种东西也许会变得重要起来。这就是不知以何种形式存在的暗物质，它们存在于星系周围的扑朔迷离的晕中。最有可能的暗物质候选体是物理学家们设想的“弱相互作用大质量粒子”（weakly interacting massive particles, WIMPs）， 这些粒子最终将被暗乎乎的白矮星扫光。一旦落入白矮星的陷阱，弱相互作用大质量粒子将会湮灭，从而做为能源提供能量。实际上，暗物质的湮灭将会取代恒星内传统的核燃烧，成为宇宙以后的生涯中占统治地位的产能机制。一颗代表性的由弱相互作用大质量粒子提供能量的白矮星，其表面温度大约为64K，比液氮稍冷。
到1030年或更早一些，WIMP将被耗尽。WIMP湮灭这种供能方式也不复存在了。宇宙的存货已仅限于白矮星、褐矮星、中子星、死去的更加分散的行星和岩石。这都是些极冷极黑的家伙。
下一步会怎样呢？正像故事的开始那样，情况变得更加难以推测了。
质子，曾被认为像电子一样是永恒的。但仅到此而止，许多“大统一理论”预言质子的寿命是有限的，在1030到1040年之间。一些其它的过程（例如量子引力论中的虚黑洞机制和弱电理论中不同真空状态间的隧道机制）允许质子有更大时间尺度的衰变过程，从1046到10200年。质子是重子，因此重子数是不守恒的，以允许它们衰变。因为我们的宇宙中正物质比反物质多一点，所以只有在宇宙早期的大爆炸中重子数的不守恒才能产生今天的物质重子数的不守恒，使得质子（还有中子都）不会永远存在下去。( 因为我们的宇宙看起来物质比反物质多，在宇宙中存在重子数的破缺，质子还有中子都不会永远存在下去。因此，没有什么由通常物质构成的东西，包括原子会得到永恒。
为了明确起见，在本文中我们假定质子的寿命为1037年，但读者需明白，到目前为止，质子寿命还没有被实验测量出来。
质子衰变标志着简并时代的最后阶段。蕴藏在白矮星、中子星及其它个体中的质量能，将随着组成它们的质子衰变为正电子，中微子、p 介子 和g 光子而消失。一颗白矮星，质子衰变提供的功率约为400瓦，足够驱动几只灯泡。但这些能量是从白矮星那么大的表面上发出的，因此，白矮星的温度也仅比绝对零度高一丁点儿。
随着质子衰变消灭所有物质，简并时代落下帷幕，更黑暗、更空洞无物的宇宙要再一次改变特性了。
黑洞时代
现在留下来的质量天体只有黑洞了。它们没有受到质子衰变的影响，从简并时代幸存下来。
随着白矮星不断气化和消失，黑洞吸收这些物质而变得更大一些，然而黑洞也不是长生不老的。它们最终会通过一种被称作霍金辐射的缓慢量子力学过程气化掉。虽被称为黑洞，但它并非全黑。黑洞表面靠发射一种光子热谱和其它粒子来发“光”，形象地称该过程为蒸发。
蒸发强度依赖于黑洞表面的曲率，也可说是黑洞的大小和质量，一个恒星级黑洞的蒸发是极其轻微的。黑洞不断蒸发和收缩，蒸发速度将加快，最后将以g 射线闪光的形式结束。
一个太阳质量大小的黑洞，其表面温度仅有10－7K，存在时间达1065年，一个像今天大星系质量大小的黑洞的表面温度则仅有10－18K，其蒸发过程会持续1098－10199年之久，当其生命快要终结之时，这时它已变成一个不断收缩的微型黑洞。微型黑洞的表面温度相对较高，在不到一毫米空间大小中能保持室温达1035年，最大黑洞的蒸发完毕，标志着黑洞时代的结束。
黑暗时代
粘结在一起的东西已经不存在了，宇宙对于从光子到黑洞的所有物质来说都是空空如也。偶然会发现一点儿以前时代残留下来的不久也将消失的“垃圾”，例如，红移到巨大波长的光子，很少的中微子、电子和正电子，粒子间的距离都大得难以想象，活动已几乎没有了。粒子间的空间尺度大得你想一想都会感到吃惊。
在空间漂游的电子和正电子，偶尔会闯入对方的势力范围，从而形成一种正电子原子（positronium atom）－－－电子和正电子相互环绕－－－它的大小比我们今天看到的整个宇宙还要大。这种巨大而单薄的原子是很不稳定的，电子和正电子会相互旋入并以极长的时间尺度而最终湮灭。另一些低水平的湮灭也有可能发生，只是更缓慢而矣。这些事件偶尔会产生高能的光子。宇宙的膨胀仍会把这些光子红移到低能量状态去。
与其过去放荡的生活相比，宇宙现在过着一种保守而孤独的生活。难道不是吗？眼前的这种落迫残景仅是我们不全面的推测吗？
哥白尼时间原理
我们所熟悉的这个世界在宇宙的演化中只是短暂的一瞬，有恒星提供繁衍生息的能量，有行星提供生活的空间，目前的环境对生命来说太友好了。这不免让我们自然而然地认为当前的时代会具有某种特殊地位。某些人还会强调说我们的时代是一个特殊时代，是真正丰富多彩的时代。这是一个唯一能让生命存在并被这些生命所探寻、理解的时代。笔者不同意这样的观点，相反，我们接受“哥白尼时间原理”的观点，即目前时代在宇宙年代中没有任何特殊地位。换句话说，有趣的事件随着宇宙的演化和变迁会继续发生。
通常来说，宇宙要面对能量和熵产生的减少而带来的影响（后者为复杂系统例如生命的产生、繁衍提供了可能〕。但是宇宙这种趋势被每个宇宙时代大尺度的时间延续所抵消了。
用另一种方式来说，我们相信物理定律不能预言宇宙会达到一个最终的、完全静止的状态。更确切些说，我们怀疑有趣的物理过程在我们敢于设想的未来中会不断发生。
哥白尼时间原理的观点，是我们对宇宙认识的又一个自然扩展，我们目前对宇宙的认识在历史上就被不断扩展深入。在16世纪人类对宇宙的认识发生了一次革命性的变革。在那时以前人们都认为地球是宇宙的中心，哥白尼却提出反驳说地球不是宇宙中心。他正确认识到地球只不过是绕太阳公转的数颗行星中的一颗。后来人们又知道了太阳也仅是银河系数千亿颗恒星中的一员。我们知道这些星中的一部分也同样拥有自己的行星。此外，银河系本身也仅是在由无数星系组成的宇宙中随机地占了一小块地方。
地球中心地位的不断降级导致了一个不可更改的结论：我们的星球在整个宇宙中没有丝毫特殊地位。哥白尼时间原理把这个观点从空间推广到了时间。正像我们的星球以及我们人类没有任何特殊地位一样，现在的宇宙时代在漫漫的宇宙生涯中也没任何特殊之处。这个原理使以人类为中心的观点彻底破灭了。
关于生命的延续
人们正在艰难地认识到人类灭绝是可能的。核军备竞赛、自然灾害、致命病菌等这些摆在人们面前的威胁人类生存的因素，期望在谨慎而大胆地为人类造福的考虑下能有所突破。更长远一些，我们会担心诸如小行星、彗星碰撞或者是g 射线暴之类的天文事件。你也可以乐观的期望火箭输送、太空移民，甚至整个的星系征服。这样我们的后代（也许是以更快速度进化的人类的继承者）就可以逍遥地生活，能对付各种灾难。
但是生命能离开恒星而存在吗？能有某种形式的智能生物可以逃避质子衰变吗？能有生命幸存于最后不断蒸发并最终变得空无的黑暗时代吗？
生命是否能最终存在，以及宇宙是否会发生最后的湮灭，把所有的意识、精神、思想还有这些东西曾经存在过的记录全部毁灭。这些想法都包含有极大的猜测。在本文中我们仅讨论了物理世界的未来。剩下的故事：生命的未来，我们留在以后再说。
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