《宇宙學(xué)與天體粒子物理學(xué)》（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics）雜志刊載的一項新研究顯示[1]，宇宙終結(jié)的時間預(yù)計在10^78年之后，這比此前預(yù)計的時間早了10^1022年。那么，科學(xué)家是如何計算出宇宙的終結(jié)時間呢？宇宙又會以怎樣的方式終結(jié)？

現(xiàn)代宇宙學(xué)認(rèn)為，宇宙有一個時間開端，那時距今大約138億年。之所以認(rèn)為宇宙有一個起源時間，是因為天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹。

當(dāng)天文學(xué)家觀測宇宙中的星系時，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一種十分反常的現(xiàn)象，絕大部分星系都在遠(yuǎn)離銀河系而去，只有銀河系附近的少數(shù)星系才有顯示出在靠近我們。更為奇特的是，那些遙遠(yuǎn)星系遠(yuǎn)離銀河系的速度正比于它們與我們的距離。

能夠解釋這種特殊現(xiàn)象的原因只有一個，那就是宇宙空間在不斷膨脹。也就是說，我們存在于空間之中，但空間自身結(jié)構(gòu)在不斷擴張開來，變得越來越大。如果把時間回溯到最初時刻，那么，所有的宇宙空間都會縮小到一個無限小的奇點中，這就是宇宙的起源。

宇宙起源之后，最初時刻的純能量逐漸轉(zhuǎn)化為物質(zhì)。后來，隨著宇宙的進一步冷卻，恒星、星系開始形成，恒星通過核聚變反應(yīng)不斷發(fā)光發(fā)熱，宇宙逐漸開始變得明亮起來。

但恒星不是永恒的，在耗盡燃料之后，也會迎來終結(jié)。對于質(zhì)量超過太陽質(zhì)量20倍的恒星，它們的核心最后會強烈坍縮為黑洞，這種極端天體就連光都能吞噬掉。對于質(zhì)量介于太陽質(zhì)量8到20倍的恒星，它們的核心會坍縮成由中子構(gòu)成的致密中子星。宇宙中絕大部分都是質(zhì)量小于太陽質(zhì)量8倍的恒星，它們的核心最后會坍縮為白矮星。

當(dāng)宇宙中的氣體云耗盡時，將沒有新的恒星形成。等到所有恒星演化到最終階段，宇宙中只剩下各種恒星的核心殘骸及其附近的行星，整個宇宙將會陷入一片死寂。但宇宙的終結(jié)并非是這樣，而是走向更加極端的狀態(tài)：完全蒸發(fā)殆盡！

這還要從霍金輻射說起。黑洞因其極端的引力，就連光都能被束縛其中，所以物理學(xué)家長期以來認(rèn)為黑洞只會吞噬更多物質(zhì)和能量，從而變得越來越大。然而，霍金卻指出，黑洞自身在不斷蒸發(fā)。

根據(jù)量子力學(xué)，空間會出現(xiàn)隨機的量子漲落，從而產(chǎn)生虛粒子對。這種特殊的粒子對由粒子和反粒子組成，它們從空間中借走了能量而產(chǎn)生，但又會在極短時間內(nèi)互相碰撞發(fā)生湮滅，從而把能量歸還給空間，維持了能量守恒定律。

霍金認(rèn)為，如果這種虛粒子對出現(xiàn)在黑洞表面（事件視界）的邊緣，在黑洞強大引力的作用下，帶有負(fù)能量態(tài)的粒子掉入黑洞之中，而另一個粒子逃離黑洞，這樣就會帶走黑洞的一點質(zhì)量，從而讓黑洞看起來在向外蒸發(fā)，這就是霍金輻射。

在此次新研究中，物理學(xué)家通過理論推導(dǎo)得到了新結(jié)論，霍金輻射的過程在理論上也適用于其他具有引力場的物體：小到沙子，大到宇宙天體，都是適用的。理論進一步表明，一個物體通過霍金輻射而徹底蒸發(fā)所需時間只取決于它的密度。

計算結(jié)果顯示，中子星和恒星黑洞的徹底蒸發(fā)時間都是10^67年。理論上，黑洞有更強的引力場，這應(yīng)該會導(dǎo)致它們蒸發(fā)得更快。但是黑洞沒有實體表面，它們重新吸收了一些自身的輻射，從而抑制了這一過程。

此外，作為宇宙中最持久性的天體，白矮星通過霍金輻射而完全蒸發(fā)所需要的時間為10^78年，這要比先前預(yù)計的10^1100早了很多。

根據(jù)這項研究，10^78年后，宇宙將消耗掉所有的有用能，宇宙的熵增加到最大值，整個宇宙達到熱平衡，這就是熱寂的終極命運。當(dāng)然，現(xiàn)在距離宇宙終結(jié)還要很久，目前宇宙誕生至今差不多少是10^10年，這只是宇宙終結(jié)時間的一個零頭。

參考文獻

[1] H. Falcke et al, An upper limit to the lifetime of stellar remnants from gravitational pair production, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2025, DOI: 10.48550/arxiv.2410.14734.