宇宙的能量正在耗尽吗?它的最终结局是怎样的?答案或许让人意外



能量是宇宙中一切运转的基础。就像人类需要食物和水维持生命一样,遥远的恒星需要大量的能量去持续燃烧,但是这种宇宙能量源的供应是有限的吗?宇宙正在耗尽能量吗?

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物理学基础原理之一的热力学第一定律是能量守恒,能量不能被创造或破坏。它只能从一种能量转换成另一种能量。举个例子,当你拿着一个棒球时,你的胳膊就储存了势能,然而当你用力扔球,势能就转化为了动能使球移动。基于这个规则,所有现存的能量自138亿年前的宇宙大爆炸就已经存在了。

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即使能量不能被破坏,但是它能剧烈的改变以至于变得毫无用处。这就是热力学第二定律,孤立系统的熵会随着时间推移而增加。(熵是指在系统中拥有多少无用或不可用的能量。)随着熵的增加,系统中的无序和混乱程度也会增加并且它越来越随机。在今天的问题中,孤立系统是我们的整个宇宙,如果你接受它是一个孤立系统,随着时间流逝它会充满越来越多的无用能量。

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实际上,熵在非孤立系统中的减少并不重要(例如人体内部),因为这种减少总是被系统周围发生的事情所抵消。但是对于一个孤立系统来说,没有任何环境可以影响,稀释,或者逆转熵。因此,我们当今的生活和呼吸中,一切都存在,我们可以根据一些更突出的理论慢慢的迈向宇宙由100%无用能量组成的状态-最大熵。不过,还有一个相对较新的现象需要考虑-暗能量。目前为止,暗能量是宇宙中最丰富的物质,但它也是最神秘的。

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我们并不真正的知道,占据了宇宙的大约70%部分的暗能量是什么。其实,它不具有与重子或常规物质相同的属性。重子或常规物质这些原料基础是构成地球上每个行星、恒星和生物的物质。它们只占整个宇宙的5%。暗能量是被认为能够对抗重力引力,并且是宇宙膨胀之谜的关键。二十世纪早期,人们发现宇宙在膨胀时(与这之前的科学家们认为的事实相反),我们最初认为重力将最终会导致宇宙膨胀的减缓,会将宇宙中的所有物体拉回聚合在一起。但,现在我们知道了,完全没有发生这个事情。

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相反,像天体的红移现象和对超新星明暗的观察证明了宇宙中是在加速远离…并且人们认为暗能量正在象气球一样膨胀来填充空间中的空隙。而关键所在,我们尚且还不能直接观察或探测暗能量,对其进行任何真正的研究暗能量,尽管有理论将其与熵能(或力)联系起来,如同研究熵的“无用”剩余理论。

不管是不是暗能量,如果宇宙中所有的能量都被变成被有效“用尽”的一个程度,实际上会发生什么?热的大死亡理论是关于宇宙将如何终结的最流行的理论之一。也被称为“大冻结”理论这会发生在宇宙最终达到热力平衡时,也就是当没什么可以转化为熵的时候。这样状态下,宇宙将会耗尽它的热能,这就是说,那时每一颗恒星都会死亡,每一颗行星都会停止转动。

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这非万物终结唯一理论,虽然是符合宇宙膨胀的模型,恒星是变得越来越暗,不仅因为它们运转得距离我们越来越远,而且因为宇宙耗尽了燃烧所需要的燃料。2010年,在澳大利亚国立大学的一项关注研究黑洞的研究上,他们提出了熵比我们之前研究的要高30倍。还是我们预测的那些无用的能量的30倍之多!这样的研究发现,在说明宇宙已经经历过了他早前是强盛期,也就是说,宇宙实际上正在耗尽能量。因为从数字上表明是只会变得更糟。

但好的方面是,宇宙的寿命之长,远比我们所能理解的要大得多。例如,据估计,宇宙热寂的过程大约需要10的100次方年,或者可以说1古戈尔年;这代表着1的后面有100个零!由于太阳将在短短几十亿年内膨胀、爆炸,并使地球覆灭,当热寂最终来临时,人类已不太可能幸存。从另一角度看,也说明我们能存在于此刻的宇宙中,是极其幸运的事。

众所周知,我们生活的地方与太阳保持着完美的、恰好足够赋予我们生命的距离(即使它最终也会使我们毁灭),但一些科学家认为,现在我们也处于“暂时的金发姑娘地带”(注:指对于星球而言的宜居地带)。我们拥有生命所需的所有重要元素,而且不必担心哪日会成为热寂的受害者。本质上看,目前银河系的化学演化都在平稳进行中;且宇宙正处于其巨大能量转换过程的正确阶段,为地球生命的产生和延续创造了充足条件。这并不是说,星球的运行轨迹是专为我们而设计的,其更多的是基于物理基本法则。

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有趣的是,熵不仅仅是一个物理问题。人们也在探究它与人类心理学和生物学之间的联系——有些科学家甚至提出,熵推动了人类的意识……在某种程度上,一个人的意识是自己本身的熵产物;这是一种用以推测“大脑如何工作”的,潜在且不可知的方法。有些人也认为,熵是生命进化中不可或缺的一部分;随着生命的发展,它正在朝着无法规避的结局不断努力前行,最终达到平衡。

20世纪70年代,科学家伊利亚·普里高津通过这一标新立异的科学领域的研究而荣获诺贝尔奖,但这是另一个视频中提到的。现如今,除非热力学定律被证实是错的,否则,我们已经可以确定,宇宙中有用的能量的供应是有限的。这并不意味着“耗尽”能量,而是将它转化为其他物品,这整个过程则像是在一条单行线上前进,最终通向平衡和热寂。但是,如果这一切真会发生,那么决不会存在第二个10的100次方年。当然那也是很久很久很久以后的事了。

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相关知识:

宇宙(拉丁语:universus)是指所有的空间、时间[a]及其内涵,[10]包括行星、恒星、星系和所有其他形式的物质和能量。大爆炸理论是被普遍接受的、对宇宙演化的宇宙学描述。根据这一理论,空间和时间在13.787±0.02010亿年前一同出现,[11]自此,宇宙就在持续膨胀。虽然整个宇宙的空间大小仍是未知数,[3]但根据宇宙膨胀方程推算,它的直径至少为23万亿光年。[12]而且,人类可以测量可观测宇宙的大小,目前估计其直径约为930亿光年。

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