所有恆星都將從外到內摧毀：《萬物的終結》選摘（3）

沙漏有多大？

沙有多深？

我不該奢望知道，但我站在這裡。

—赫齊爾（Hozier），〈無計畫〉（No Plan）

1969 年，里斯（Martin Rees）還不是皇家天文學家拉德洛男爵里斯勳爵。當時他在劍橋大學的讀博士後宇宙學，思索關於一切的終結，他發表了一篇題為〈宇宙的崩潰：一項末世論研究〉（The Collapse of the Universe: AnEschatological Study）的6 頁論文，他後來形容這篇論文「相當有趣」。里斯在引言中表明，雖然觀測證據仍不確定，但暗指「宇宙確實注定要崩潰，而在這種毀滅性的壓縮過程中，宇宙場景的所有結構特徵都將被破壞」。對里斯而言，這篇論文有趣的部分原因在於根據計算，在即將到來的崩潰中，所有恆星都將被周圍的輻射從外到內摧毀。沒人不喜歡想像星星著火吧？

儘管里斯的論點偏向大崩墜，但數十年來的數據仍然模稜兩可。宇宙是封閉的（塌縮）還是開放的（永遠膨脹）？ 1979年，普林斯頓高等研究院的戴森（Freeman Dyson）決定探索該論點的另一面，他說：「我不會詳細討論封閉的宇宙，因為想像我們的整個宇宙困在一個箱子裡，會給我一種幽閉恐懼症的感覺。」開放宇宙模型是一個令人愉快的寬敞替代方案。在他的論文〈沒有盡頭的時間：開放宇宙中的物理和生物學〉（TimeWithout End: Physics andBiology in an Open Universe）中，他對開放宇宙對人類可能意味著什麼做了量性預測，找出讓未來人類也許能透過調節活動並進入休眠，來避免無知無覺地陷入無盡的未來，而整個宇宙卻在身旁瓦解的方法。

雖然那篇論文的大部分內容都是計算和理論討論，引言中的措辭卻頗尖銳，直指物理學的主流言論不公平地蔑視研究宇宙末日的努力。他寫道：「對遙遠未來的研究，在今天似乎仍像三十年前對遙遠過去的研究一樣聲名狼藉。」並指出涉及這一主題的嚴肅論文少得可憐。接著他發出宇宙號召：「如果我們對長遠未來的分析，導致我們提出與生命的終極意義和目的有關的問題，那就讓我們大膽、毫不尷尬地審視這些問題。」

我不敢說在那之後，宇宙末世論終於作為一門學科獲得了應有的尊重。在物理學文獻中，像研究我們的起源一樣嚴格而深入地研究我們最終命運的論文，仍然相當罕見。但對時間軸兩端的研究，卻開始以不同的方式幫助我們檢驗物理理論的原理。除了可能為我們的未來或過去提供洞見之外，還幫助我們理解現實本身的基本本質。 （相關報導： 科學家警告：「足球場大小」的小行星2032年可能撞地球，威力足以摧毀大城市 ｜ 更多文章 ）

「透過思考宇宙的終結，就像思考它的開始一樣，你可以加深自己對現在正在發生的事情的思考，以及如何推論。我覺得基礎物理學中的外推法非常重要，」倫敦大學學院的宇宙學家佩里斯（Hiranya Peiris）這麼說。2003 年，她領導的團隊利用威爾金森微波異向性探測器（Wilkinson Microwave AnisotropyProbe，WMAP）衛星，解釋了宇宙微波背景的第一個詳細視圖。從那時起，她就一直屹立在觀測宇宙學的前線。近年來，她著眼於使用觀測數據、模擬和桌面模擬，來測試早期和晚期宇宙物理學的一些關鍵要素，例如宇宙暴脹中「泡沫宇宙」的產生，以及真空衰變背後的機制。

在研究這些問題時，她的動機都是一樣的。「我知道（宇宙的）這個時期需要被瞭解。我們仍不清楚現在所做的研究能不能或如何能直接測繪這些時期，但我認為我們能透過這些工作學到一些基礎理論。」我們當然還有很多東西要學。宇宙學和粒子物理學目前處於尷尬的境地；在某些方面來說，兩者都是自身成功的受害者。在這兩個領域中，我們對世界都有非常精確和全面的描述，這些描述很成功，意思是沒發現任何與之相矛盾的東西。但缺點是，我們不知道它為什麼會是這樣。

宇宙學中的主導典範被稱為「一致模型」（Concordance Model），或ΛCDM。在這個模型中，宇宙有四個基本組成部分：輻射、常規物質、暗物質（特別是「冷」暗物質〔cold dark matter〕，CDM）和宇宙常數形式的暗能量（在方程式中以希臘字母lambda，Λ 表示）。所有這些成分的量都經過精確測量，而宇宙常數目前構成宇宙圓餅圖中最大的一塊。我們已經很瞭解，在宇宙膨脹的同時，這些項如何隨時間變化，我們也對非常早期的宇宙有令人驚訝的詳細描述，其中包括一段飛速膨脹的時期，稱為暴脹。我們還有一個久經考驗的重力理論，即愛因斯坦的廣義相對論，它在一致模型中被認為是完全正確的。

在這個模型中，由於宇宙常數目前主導著宇宙演化，所以我們可以直接應用對重力和宇宙組成部分的理解，去推斷我們的宇宙演化。如此一來，我們在遙遠的未來無疑會陷入熱寂。就是這樣。一致模型的問題在於，它最重要的元素—暗物質、宇宙常數和暴脹—完全是謎。

我們不知道暗物質是什麼；我們不知道暴脹是如何發生的（或者它是否真的發生過）；我們沒有合理的解釋為什麼宇宙常數存在，或者為什麼它的值似乎與我們對粒子物理學的期望背道而馳。在此同時，我們還沒有在數據中發現任何與一致模型相矛盾的內容。沒有證據指出暗能量以某種方式演化（那會違背宇宙常數），沒有證據指出暗物質是可以透過實驗檢測到的東西（也沒有證據指出它不是），儘管經過一個世紀的實驗，仍沒有證據顯示重力有偏離愛因斯坦廣義相對論之外的行為。

佩里斯的同事兼合著者龐岑（Andrew Pontzen，也是我在劍橋的前同事）致力於研究暗物質理論，做了一些開創性工作，用以解釋為什麼暗物質在星系中呈現出這種形狀。他認為我們對宇宙學已經有很好的瞭解，意思是我們的數據與包含暗物質和暗能量的模型非常吻合，而且似乎不太可能有任何事情會突然改變這個狀態。我們知道外面有多少東西以及它們的行為。但反過來說，我們不知道如何將構成宇宙95% 的暗物質或暗能量，與基礎物理學連結起來。「所以從這個意義上說，我們完全不瞭解，」他說。同時，粒子物理學方面也陷入類似的困境。

早在1970 年代，物理學家就發展出粒子物理學的標準模型，以描述自然界中所有已知的粒子：構成質子和中子的夸克，中微子和電子等輕子及其近親，以及所謂的規範玻色子，它們充當粒子之間傳遞基本力（電磁力、強核力和弱核力）的中間人。儘管進行了一些細微的調整，例如將中微子從嚴格的無質量變為非常非常輕，但標準模型仍然非常成功，通過了每項實驗測試。它甚至預測了希格斯玻色子的存在—標準模型難題的最後一塊。從那以後的幾年裡，粒子實驗中沒有發現任何標準模型以外的東西。你也許認為這會被譽為一種勝利。這個理論可行！一切都和我們預料的一樣！ （相關報導： 科學家警告：「足球場大小」的小行星2032年可能撞地球，威力足以摧毀大城市 ｜ 更多文章 ）

＊作者凱蒂•麥克（Katie Mack），天體物理學家，宇宙災難鑒賞家，圓周理論物理研究所宇宙學和科學傳播領域的首任霍金主席，加拿大高等研究院全球學者，北卡羅來納州立大學物理學教授。本文選自作者著作《萬物的終結：宇宙毀滅的5種方式》（鷹出版）