第三章　大胆猜测宇宙的未来

1．未来的“超新星”

无论哪种理论正确，这种最早的庞大怪异的恒星都存在过，而且在再电离时期，它们对周围的影响也未结束。我们已经看到它们的寿命短暂，而其灭亡的过程却很激烈。不像正在等待我们太阳的相对平静的未来，这些巨星的终点是灾难性的爆炸。

一颗恒星的外层是由中心发生的核反应所产生的能量来支撑的。当这一过程的燃料耗尽时，外层就会坍塌，增加了内部核心的压力和温度。这种变化会使得以前一系列反应所生成的氦核互相碰撞、反应并结合成更重的元素。同时，内核外围的氢还在继续燃烧，其结果就像一层层的洋葱一样，重元素不断地在中心形成。最后，铁的产生中止了这个循环。铁原子核是最为稳定的，当它们相互碰撞时会损失能量而不是释放能量。一旦一颗巨型恒星生成了铁核，就没有什么能够阻止外层向内的坍缩。很快一个致密的核心形成了，冲击波激荡在星体内，将其余的物质向外抛出，一个光和热的巨大爆炸发生了，这就是我们看到的超新星。

超新星的爆发已经相当猛烈，更厉害的是特超新星：无比巨大的恒星由于同样的原因发生的爆炸。这也还不是最极端的情况。我们所知的最具灾难性的事件叫做伽马射线暴。

伽马射线暴

伽马射线是电磁辐射中能量最高的形式，它的波长甚至比X光还要短，在0.01纳米以下（1纳米是10-9米）。尽管在全天有一个几乎是恒定的均匀伽马射线背景，但在其中确实发现了一些分立的源。这些持续几分钟的伽马射线的突然爆发极有威力，它能够穿过可视宇宙被探测到。伽马射线最初的爆发后，在其他频谱段会出现一个“余晖”。找到这支正在暗淡下去的“冒烟”的枪，对于天文学家们确定我们离最近的爆发的距离非常关键。我们现在知道这些伽马射线暴是十分遥远的。一个单独的爆发所发出的能量超乎想象，太阳在整个生命中发出的能量尚不及伽马射线暴在几分钟内释放的能量多。

尽管不同爆发的原因似乎不同，但许多伽马射线暴产生于超大质量恒星死亡之时。记住一旦这些恒星中用于核反应的燃料枯竭，从中心发出的辐射就消失了。重力最终赢得了战斗。恒星的外层向内塌陷，中心区域彻底坍缩形成黑洞，同时外层被反弹回来并以极高的速度被抛出。释放的能量是如此巨大，在恒星的一生中所合成的原子核又重被打碎，一切几乎又变回了氢。但是，这种巨大爆炸中的能量又会引发进一步的核反应，将氢原子聚变成更重的元素，其中特别包括那些比铁重的元素。

爆发是否较弱，从而意味着距离较近；或者是非常强劲，即十分遥远。现在我们相信这些爆发是从离我们10亿光年的源头发出的，而且不可思议地强大，可能是自大爆炸以来最大的爆炸！

如果这个爆炸的恒星像第一代恒星那样大，那么向外释放的能量就足以产生一次伽马射线暴。在我们邻近的宇宙中，最大的恒星只有太阳的20~30倍，我们看到它们以相对温和的超新星方式灭亡。但是一颗超新星的光芒已足以盖过它所在的整个星系，所以一颗特超新星可以穿过整个可视宇宙被看到。

伴随这激烈的灭亡，爆炸产生的冲击波以接近光速横扫过去，相似的过程可以在哈勃太空望远镜拍摄的附近超新星的照片上看到。濒死的第一代恒星产生的冲击波除了加热周围的气体外，还使得周围的气体云随之收缩，触发了下一代恒星的形成。这些新恒星在形成过程中吸收了第一代恒星产生的元素，这些元素在更早的时期还不存在。这些原子，尤其是碳和氧，能有效地把收缩云气中的能量辐射出去，这促使气体团冷却碎裂，形成更小的团块，进而形成较小的恒星。结果是，这些第二代的恒星与我们现在看到的恒星非常相似。它们中最小的那些，也就是寿命最长的，可能今天还在闪烁，并且可以在银河系里找到。

这些恒星的确切质量对于其命运有着决定性的影响。例如，300个太阳质量以上的恒星会直接坍缩成大质量黑洞，既没有物质被抛出也没有冲击波扩散出来。而在160个太阳质量上下的恒星则会形成成对不稳的超新星。这种爆炸正好产生大量的正电子，即电子的反粒子。当正反粒子相遇时，它们会在湮灭的同时产生能量。这些超新星中的这种能量足以防止核心的坍缩，这样黑洞和中子星都不会生成，而所有的物质都被抛出，进入第二代恒星的形成过程。我们相信在宇宙早期有大量的这种尺寸的恒星形成，并按照这种机制进行演化。

2．推测宇宙的未来

将宇宙作为一个整体进行研究的宇宙哲学，对于我们这些生活在地球上的凡夫俗子来说，还是一门崭新的科学，而在这门博大精深的科学中，我们对宇宙的最终命运之谜了解得最少。但是人类至少已经发现了几条可以揭示宇宙命运的线索，其中一些线索可以给我们带来希望，而另一些线索却只能使人觉得沮丧。

两条线索

好消息是我们暂时还不会被宇宙“驱逐出境”。宇宙很可能至少可以将目前这种适于生命存在的状态再维持l000亿年。这相当于地球历史的2O培，或者相当于智人（现代人的学名）历史的5O0万倍。如果人类在公元1000亿年的新年前夜到来之前就已经消亡，无法施放焰火庆祝新年的到来，那绝对不会是宇宙本身的错。

坏消息是没有什么东西是可以永远存在的。宇宙也许不会消失，但是随着时间推移，它可能会让入觉得越来越“不舒服”，并且最终变得不再适于生命存在。计算这种情况何时会出现以及将会怎样出现确实是一门令人心情抑郁的科学，但是我们也不得不承认这项研究本身也有一种冷酷的魅力。从天文学家埃德温·哈勃1929年发现宇宙正在膨胀以来，经典的“创世大爆炸”理论经过了几十年的不断修改。根据这一理论，宇宙的最终命运将取决于两种相反力量之间的“拔河比赛”的结果。一种力量是宇宙的膨胀，在过去10O多亿年的时间里，宇宙的扩张一直在使星系之间的距离拉大。另-种力量是这些星系和宇宙中所有其他物质之间的万有引力：它就像制动器一样使宇宙扩张的速度逐渐放慢。

这个问题非常简单，如万有引力足以使扩张最终停止，那么宇宙就注定会发生坍缩，最终变成一个大火球——同创业大爆炸相当，但过程正好相反的“大崩坠”。如果万有引力不足以阻止宇宙的待续膨胀，那么它最终将变成一个令人感到“不快”的黑暗和寒冷的世界。恒星是通过使轻原子核（主要是氢和氦）发生聚变反应形成较重的原子核来产生能量的。当恒星内部储存的氢和氦消耗殆尽的时候，衰老的恒星上燃烧的火焰会因为没有新的原子来替代已经消耗掉的原子而熄灭，同时宇宙也会逐渐衰变成一个漆黑一团的空间。

一个结局

任何一种结局看起来好像都在预示生命的消亡。如果宇宙的最终命运是熊熊烈火，“大崩坠”就会熔化一切，甚至亚原子粒子也难逃厄运。另一方面，如果宇宙以无边的寒冷和黑暗而告终的话，宇宙中的生命形式就有可能存在很长一段时间——例如，智慧生命可以通过从洞中提取引力能来获得能源从而维持自己的生存。但是，在所有的物体都已经衰减到差不多相同温度（略高于绝对零度）的情况下设法维持生存，就像是要利用—潭死水来推动水磨一样困难。

不过我们的最终命运目前还无法确定，部分原因是我们还不能判断扩张和有行引力这两者谁会取得最后的胜利。大多数天文学观测的结果支持前者，但是目前仍然存在着许多不确定的因素。其中之一是令人大伤脑筋的“暗物质”问题。对星系运动方式的研究表明，星系中蕴藏着大量的非星系内部引力，这说明我们能够看到的恒星和星云仅占宇宙物质总量的1％至10％。其余的物质是不可见的；这些物质并不发光。目前还没有人知道这些暗物质到底是什么。—钟可能性是它是由弱相互作用大质量粒子（wIMp）构成的。在我们能够确定暗物质的成分并用数学方法对其进行计算之前，以我们目前能够看到的一切为基础对宇宙的未来进行预测是绝对靠不住的，这就像是首先在乡村俱乐部对几个打高尔夫球的人进行民意测验，然后根据测验结果来预测全国大选的结果一样缺乏可信性。

同时，讽刺文学作家和宿命论者对于这种“火或冰”的结局也感到了一种带有苦涩意昧的满足，这充分反映出人类，思维意识的精髓：没有人可以活着脱离中活的苦海。而这正是使我对这一宇宙的最终命运产生怀疑的原因。我们在开科学方法研究宇宙哲学的过程中总结出来的重要经验是：宇宙的发展变化常常并不符合我们长期以来已经确立的思维方式——要理解宇宙，我们需要新的思维方式。爱因斯坦的弯曲空间、海森伯格的不确定原理等诞生于20世纪的概念使我们的思维方式发生了重大改变，同时人们也认识到每时每刻都有数以万亿计的亚原子粒子在我们的身体里快速运动但却并未造成任何损害，这些都是现代宇宙哲学不可或缺的组成部分，所以我认为我们有理由假设在即将到来的新世纪里；人们将敞开大门接受一些更加奇异的概念。因此，我们或许有可能从尚未开启的大门下面瞥见门后发出的几道光线，而在这儿道光线的帮助下我们也许就可以对宇宙的未来作出更加准确的预测了

不确定因素

与宇宙最终命运有关的一个不确定因素涉及膨胀理论，根据这一理论，宇宙始于—个像气泡一样的虚无空间，这个空间最初的膨胀速度要比光速快得多，宇宙学家之所以相当重视膨胀理论是因为这一理论解决了一些创世大爆炸理论的早期版本所无法解决的问题，此外，膨胀理论对于研究宇宙的最终命运也有—些启示作用。其中包括：最初推动宇宙高速膨胀的力量（有时根据它在爱因斯坦的广义相对论方程式中的代号用希腊字母入表示）在宇宙像“打嗝”一样膨胀结束之后也许并没有完全消退。它可能还存在于宇宙中，伏在虚无的空间，不断推动宇宙持续扩张，就像胡座员在幕间休息结束后斯文有礼地引导观众回到剧场一样。对遥远的星系中正在爆发的恒星所做的观察表明，这种正在发挥作用的膨胀推动力有可能确实存在。如果真是这样的话，决定宇宙未来命运的拔河比赛”就不仅涉及宇宙的扩张和万有引力的制动作用，而且还与微妙的徘徊不去的膨账推动力所产生的可以使宇宙无限扩张下去的涡轮增压作用有关。

但是，最能引起人们兴趣的未知数也许是智慧生命本身在宇宙中扮演着什么样的角色。正如物理学家弗田曼·戴森所说：“如果不将生命和智慧的作用考虑在内，对遥远的未来进行详细的预测是不可能的。”好坏姑且不论，地球相当大的一部分确实已经被—种有能力为了自己的利益而操纵其生存环境的智能物种改变了。

与之相似，存在于遥远未来的先进文明也许有能力熔化许多恒星甚至整个星系，从而生起一堆巨人的“营火”，或者使宇宙的长期发展朝着对这—文明有利的方向前进。在宇宙逐渐衰亡的没落时期，生活也许会变得非常枯燥乏味，但是这种生活可能会持续很长的时间。试想一下我们能够看到的宇宙在未来1万亿年时间里可以动用多少天然智能和人工智能资源吧。你认为那种高度发展的智慧和以19世纪的热力学知识为基础、认为人类注定会灭亡的观，点究竟谁会取得胜利呢？

所以。让我们拭目以待，正如爱因斯坦在写给一个对世界的命运感到担忧的孩子的信中所说：“至于谈到世界末日的问题，我的意见是：等着瞧吧！”

3．宇宙的最终命运

宇宙的最终命运是什么？现在还很难在一系列可能性中给出选择，但是答案必定依赖于宇宙中两个博弈量的相对强度——引力和使宇宙加速的力（称为“宇宙常数”）。我们先来看看引力获胜时宇宙的未来如何。膨胀将趋于停止，然后逆转过来。我们不会再看到星系远离我们、光谱红移，相反，它们将靠近我们，我们会观测到蓝移的光谱。宇宙的温度会上升，星系团之间的碰撞也将更加频繁。

夜空开始变亮，最终整个宇宙将在“大坍缩”（BigCrunch）中走向终结，就像是大爆炸反过来一样。

那时会发生什么？也许宇宙会重新缩成一团，以至坍缩成为下一轮大爆炸的开端，如此反复以至无穷。我们曾不得不假设宇宙有一个创生时刻，时间从那时开端，而这种宇宙的大轮回可以让我们从这个假设中解脱出来，在某种程度上，这一想法令人欣慰。

不幸的是，现在的理论认为“大坍缩”永远也不会发生。原因很简单，宇宙中的物质实在太少（即便把暗物质包括在内），不足以使膨胀逆转。引力还不够强大，而其博弈者——宇宙常数——的存在，只会把事情弄得更糟，看来宇宙将永远膨胀下去，而且膨胀得越来越快。接下来将发生什么，取决于“宇宙常数”的大小，但它真的是个常数吗？至今我们还没有证据来给出定论。目前，我们对它的所知仅限于知道它的斥力作用是恒定的，因此让我们暂且作此假设，并且看看将要发生些什么。

4．永不停息的膨胀

在我们的太阳冷却、死亡很长时间之后，宇宙中许多其他恒星光彩依旧，此时星系团之间的距离正不断增大。一般认为，在星系团内，成员星系之间的距离相对较小，引力仍然起着支配作用，足以把它们约束在一起。但是，各个星系团之间的距离极远，宇宙常数导致的斥力会使得团与团之间的距离不停地增加。站在不同的星系中互望，对方都将变得暗淡异常，甚至在星系团内部，情况也在发生变化。随着时间流逝，光芒灿烂的恒星将在爆发中走向死亡，只留下暗淡的遗迹，同时黑洞的数目也将增加。可供形成新恒星的物质越来越少，星系的亮度在经历最初的平缓下降后，开始加速下降，步入黑暗。

大约在1013年后，恒星停止辐射，所有的核能都消耗一空。引力效应持续起作用，黑矮星之间的近距离交会事件连绵不绝。一颗围绕着星系中心旋转的恒星将由于辐射引力波而损失能量，与其他许多恒星一道，慢慢向星系中心的黑洞靠近，最终结果就是形成一个超大质量黑洞。同样的基本规律或许也可以应用到超星系团的成员星系团上，例如由本星系群和室女座星系团组成的超星系团中，所有的物质正在向中心集中。

大约1020年后（比宇宙目前的年龄老10倍），宇宙将是一片凄凉景象：死去的恒星和行星的亡灵，可怕的黑洞，四处穿梭的元素粒子和光子。整个空间将膨胀到一个我们无法想象的尺度，黑洞之间的距离将至少比现在的可观测宇宙还大100倍！任何生命都将消失。宇宙尚未灭亡，但生命游戏已经悄然终结了。

没有永恒

甚至连黑洞也不是永生的。我们在前文曾提到过，空间中任意一团真空其实都被称之为“虚粒子”的东西充满，它们的寿命极其短促，因此通常无法转换成普通物质。这些粒子总是成对出现，除了电荷极性相反外，其他的一切性质都相同。它们会在一瞬间互相湮灭。

然而，假设一个粒子和它的反粒子恰巧出现在黑洞视界的边缘，请记住视界就是黑洞吞噬万物的临界区域。这对粒子还来不及发生湮灭，其中之一可能就被黑洞拽进了视界之内，而另一个则向相反的方向逃逸而去。对一个位于黑洞之外的观测者而言，这也就等于从黑洞视界之内辐射出了一个粒子，因此黑洞的质量也减小了和辐射出的粒子相同的质量，视界的半径也随之缩小。这种过程不断在发生，称之为“霍金辐射”，黑洞变得越来越小，最终它将在一次辐射爆发中消失无踪。

然后是最终的演出：质子衰变。人们认为质子是由称为“夸克”的粒子组成的，但是它可能最终会分解成为更轻的粒子和辐射。它可能先是衰变成为正电子（电子的反粒子）和介子，介子极不稳定，几乎是马上就衰变成为光子。质子的平均寿命据估计为至少是1031年的量级，因此不必奇怪我们至今还没有发现质子衰变的实例--宇宙的年龄才只有1010年。但如果这种理论图景是对的，那么在1033年后，宇宙中除了一片光子和基本粒子充斥的“汪洋”外，就一无所有了。

空间的膨胀将导致令人难以置信的稀疏。据估计，在1066年里，普通电子之间的平均距离将超过我们现在所能看到的宇宙半径的几十万倍。10100年后，或许经历10116年，残余的粒子将衰变成辐射。宇宙会逐渐变得更黑、更冷，看来再也不会有什么特别的事件会发生了。

请记住，我们所描述的现象都基于一个假设：斥力在强度上始终不变。如果不是这样，又会如何？如果它变弱（甚至完全停止起作用）的话，等待我们的仍将是之前我们已经描述过的阴暗、凄凉的未来，尽管过程更慢但是却不可避免。但如果宇宙常数变得更大，我们将遭遇更加戏剧性的未来。

大撕裂

刚开始时，情况并没有什么明显不同。事情或许进展得更快，我们很快就会被遗弃在一个孤独的星系团中，那时星系团仍然在引力束缚下聚在一起。在小尺度上，当物体靠近到一起的时候引力最大，相反，斥力则随着距离增加而增加。即便如此，最终宇宙常数产生的斥力也将在越来越小的尺度上起支配作用。一开始是星系团四分五裂，在可观测宇宙的中心只留下一个形单影只的星系。这一阶段，宇宙中的结构的弥留期只有不到10亿年了。在它们走向终结之前6000万年，单个的星系也将溃散，恒星（或者只是残存的残迹）向四面八方逸散。宇宙现在更加空旷了，物质更加分散，完全超乎我们的想象，但这时还有更加惨烈的一幕等待上演，那就是所谓的“大撕裂”。

宇宙膨胀持续不断而且越来越快，最终在万物完结之前30分钟，组成恒星的物质本身也将被扯成碎末--任何现在还幸存着的行星都将被摧毁。这时留给宇宙的是一片原子的海洋。甚至连这也还不是终结。仍在膨胀的宇宙继续将原子加速，直到它们也被撕裂开去，发出辐射，此时连原子中的强大核力也不是斥力的对手，宇宙变成了一个由辐射和基本粒子组成的汪洋，和大爆炸之初颇为相像，但是相比之下密度就低得微不足道了。

这是严肃的科学，尽管可能会令人有一个直觉，相当荒诞地觉得是哪儿出了问题。一个会以上述任何一种方式死亡的宇宙都总让人觉得莫名其妙，很可能我们遗漏了一个关键参数。但如果最终没有更多的事情发生，那么我们就没什么参数可以测量，这时实际上我们认为时间已经终结了。如果时间终结了，我们就不能推测在那之后将发生什么，因为已经没有“之后”了。很难令人相信这个无所不包的复杂而又有序的宇宙将会在毫无意义的混乱中结束。科学并不能把我们带往未来，除非我们充分提升自身的理解力，并带来一个崭新的视野，我们只能如此。

5．谈谈地球的未来

追溯过去时，我们有确切的证据可以遵循：从地球的化石记录中我们可以一览这颗行星极早期的历史；从月球环形山我们发现了远古时期小行星激烈撞击的证据；从蟹状星云我们看到了将近1000年前的那次猛烈的超新星爆发；而当我们凝视遥远星系的暗弱星光时，我们看到的是它们在数百万年前的样子。如果我们测量出它们远离我们而去的速率，就能建立一幅关于数十亿年前时的宇宙的可靠图像，而且通过仔细研究微波背景辐射，我们可以勾勒出大爆炸后仅仅30万年时的宇宙图景。

但未来则扑朔迷离得多：我们不可能看到恒星或星系在未来的样子，因此我们只能依靠演绎法，并且引入相当多的科学假设。尽管宇宙历史的许多页面已经被破译了出来，但我们对大约60亿岁之前的宇宙比从60亿岁到现今的宇宙了解得多得多。

地球在宇宙中或许是无足轻重的，但对我们而言，它显然有着无可比拟的重要性，因此让我们首先来看看在这颗行星的未来面临着哪些威胁。平均而言，每过几十万年，地球就要被一颗大到足以引发巨大灾难的陨石撞击一次。事实上，最近我们已经跟踪到了几个小行星，它们在令人警惕的、离地球很近的地方飞过。有几颗在仅有几万英里的距离处与地球擦肩而过，比地月间的距离还小得多。它们被称为“潜在威胁小行星”（PHAs），如果直接撞上地球的话，其中任何一颗都可以引发又一次“物种大灭绝”。如果一颗潜在威胁小行星在它撞击地球之前就被仔细观测过了，我们可以对它做一点事情--或许可以在它附近引爆一颗核弹，改变它与地球相撞的命运。

但是我们不得不承认，一个大小仅有几英里的小天体的碰撞就会给人类带来灾难，而我们能做的事情或许并不比恐龙高明。令人担忧的是，尽管我们正努力消除这种类型的威胁，但最近发现的例子中，有几个是在它们已经路过地球之后才被探测到的。

还有一些具有相当可能性的自然灾难，会使得地球生命提前终结。近来，地质学家对超级火山的爆发潜力开始有了些了解，这种爆发可能由在极端压力下的巨大岩浆池引发，其中一个已经在怀俄明州黄石国家公园发现了。这些火山中的任何一个爆发都会导致在大气中产生全球范围内的尘埃残粒，它们相当密集而且持续时间很长，使得大多数动植物因缺少阳光而死亡。现在有人认为过去发生的一些大灭绝可能就是源于超级火山的爆发。

而人为的灾难也是可能发生的。我们现在已经拥有了毁灭自身的能力，而且我们似乎还没有文明到不去这么做的程度。不管人类会做什么傻事，地球的最终命运是和太阳联系在一起的。我们的存在归功于太阳，而最终毁灭这颗行星的，也是太阳。

地球生命的结局

太阳正在逐渐消耗它的核能，但令人吃惊的是，它正变得越来越亮。这个过程发生得非常缓慢，对我们而言，根本察觉不出来。随着太阳核心氢元素的慢慢消耗，它会略微收缩，导致核心压力增加并且温度升高。核反应的效率显着依赖于核心的温度，因此燃料也将加速消耗。10亿年后，太阳更加炽热，足以让地球上的气候变得酷热难耐，地球上的可居住区域将不得不远离赤道区域，向两极收缩。

但这将仅仅提供一次短暂的避难。随着低纬度地区变得不再适宜居住，沙漠将开始扩张，而且适合农作物耕作的陆地面积将严重不足。大陆板块的漂移也早已破坏了现在我们所熟悉的大陆的形状。任何现存的冰盖都将融化，导致海平面剧烈上升，陆地的绝大部分都将被洪水淹没。

温度还在无情地攀升，到至今30亿年的未来，将达到一个关键点。太阳将比现在亮40％，因此地球表面上的所有水分都被蒸发掉了，海洋消失了，我们的世界将变成炎阳炙烤下的炼狱。

如果在地球环境如此剧变的时候，人类仍然存在，这些我们的遥远后裔将如何应对呢？这些变化初露端倪就会被探测到，警铃就会拉响，但即便是高度发达的文明也不太可能控制太阳。毫无疑问环境变化应对委员会将召开会议，但是议程表上该怎么写？把地球移动到一个更安全的位置或许是可行的，但正如我们后文将要讲到的，这也不是永久的解决之道。或许可以把地球整个从太阳系中移出，并且尽量让它能自给自足，这样生命就能在没有太阳的环境中存活。如果这实施起来困难太大，人类可能会考虑大规模地移民到别的地方去--到另一个太阳系或者建造一个巨大的、自给自足的空间站来收留幸存者。

如果人类只能束手无策，随着时间的推移，整个地球很可能变成一片熔融而滚烫的岩浆世界。一切都不能幸免，最终所有的生物都将被一笔勾销。火星将变得比现在热得多，它那巨大的极冠（由二氧化碳和水组成）也将开始融化。大气也开始形成，短期内--大约几千万年的时间里，火星会暂时成为一处宜居的处所。但是这种环境不会保持很长时间。火星太小了，引力太弱而不能长期保持住在它表面刚形成的大气。

有人提出人类可以找到一个避难所--土卫六，土星最大的卫星，它有着富含氮的稠密大气。可惜，事实绝非如此。土卫六的表面大气逃逸速度很低，之所以能保有大气是因为它非常寒冷，因为在低温下，气体分子的运动速度也很低。如果温度上升，哪怕仅仅只有几度，土卫六的整个大气就将消散无踪。

在接下来的5亿年里，太阳将膨胀到现在的两倍大，尽管表面温度会降低，但它的光度将增加一倍。地球的轨道也会受到影响。太阳发出的恒星风将大大增强，质量不断损失，进入了红巨星阶段。质量变小意味着太阳的引力将减弱，相应地，行星轨道会向外扩展。地球将移动到距离太阳2亿千米处--当然，离它逃离炽热太阳的炙烤还远得很。

6．宇宙中的脉冲星

脉冲星

脉冲星是快速旋转的中子星，在我们看来它们是射电脉冲的源头，每秒钟有几个脉冲到达地球。我们已经介绍过了角动量在行星形成中所扮演的角色，在这里，它也同样重要。当恒星物质在坍缩形成中子星时，它携带着角动量，就好像滑冰者把手臂收起来后就会增加旋转速度一样，正在形成中的中子星也自转得越来越快。一旦坍缩过程完成，脉冲星就将以基本稳定的速率自转。现在人们已经发现了许多每秒转动上千次的脉冲星，它们大多数都很年轻。随着时间的推移，中子星的旋转将会慢慢减慢。

脉冲从何而来？从环绕着中子星的物质中发出的辐射被限定为靠近两极的狭窄射束。随着星体的旋转，射束不时扫过地球，就像海里的灯塔发出的光束瞬间扫过远处的船只或海滩上的行人一样。当射束正好指向我们时，我们的望远镜就探测到了一个脉冲。

脉冲星是宇宙中最精确的时钟。在一种我们尚不明确的、发生于星体内部的物理过程的作用下，它们的自转偶尔也会发生突变，但除了这种偶发事件以及自转的长期变慢之外（在极其长久的时间尺度里），它们非常守时。因此它们为天文学家们提供了独一无二的时间实验室。还有些极为罕见的“双脉冲星”系统，我们将在后文中详细介绍。已有报道称在脉冲星周围发现了行星，有人就提出这些行星可能是造成脉冲星自转周期轻微变化的原因。然而，很难解释行星是如何在导致脉冲星形成的那次超新星爆发中幸存下来的。

记住，我们讨论的是恒星核心的演化，事实上恒星外层发生的过程更加剧烈。当坍缩突然停止时，外部包层被反弹回去，释放出极其巨大的能量，这就是超新星爆发了。

7．碰撞的恒星世界

和太阳也会变老一样，遍布于宇宙中的年老恒星也会衰亡，新的恒星将诞生。星系也是在演化和运动中的。我们的本星系群只包含3个主要的大星系，仙女座旋涡星系、三角座旋涡星系和银河系。其中仙女座星系最大，三角座星系最小。仙女座星系距离我们200万~300万光年之间，是离我们最近的星系，它被银河系和它之间的相互引力束缚，以300千米每秒的速度向我们靠近。因此，在大约30亿年之后，在我们所处的这个宇宙的角落里将发生一件惊天动地的事：两个巨大的星系将碰撞在一起。

如果一个小星系和一个大得多的星系相撞，那么它将简单地被吸收掉，并且通常完全丧失掉它的独立特征。碰撞中，它的边界被潮汐力完全打乱，每次当它靠近那个大星系时，其中的恒星将被逐个剥离出去。两个大型星系碰撞时的情况则大不相同。

也许最好在这里说明一下，尽管我们在讨论两个星系的碰撞，但我们并没有暗指单颗恒星也会撞到一起。恒星之间的距离--记得太阳和它最近的邻居（半人马座比邻星）间的距离超过了4光年--太大了，以至于恒星碰撞是极其罕见的事，即便在两个星系碰撞的混乱环境中也是如此。

碰撞将持续数十亿年。如果计算机模拟是可靠的话，仙女座星系将首先摇摆着经过我们的银河系，对任何现场的观测者而言，那个小光斑将变得越来越大，直到碰撞开始发生时，它已成了夜空中的主宰。随着两个星系里储存的气体碰撞在一起，引起的激波触发数以万计的新恒星形成，其中许多都将位于明亮的星团中，星团被炽热的蓝色恒星主导。

许多大质量恒星（因此年龄很短）的诞生，意味着超新星爆发将会非常普遍，它们爆发产生的激波将触发新一轮更大规模的恒星形成。天空将被炽热闪光的气体和尘埃云弄得一团糟。在仙女座星系经过银河系之后，其中剩下的物质在头前尾后地插进银河系以前的核心之前，将花费大约1亿年形成一个宏大的U形。许多物质就像长长的尾巴那样留在后面，但随着时间推移，它们也将掉进中心里去，结果大概会形成一个巨大的椭圆星系。最终，银河系中心的黑洞与仙女座星系中（那个几乎必定位于中心）的黑洞，很可能短兵相接，碰到一起。

通常人们相信，两个黑洞碰撞到一起将形成一个质量更大的黑洞。同时也必将发出密集的辐射，与之相伴的还有所谓“引力波”。

8．宇宙中的引力波

引力波是爱因斯坦广义相对论的一个预言，可以理解为空间本身的“涟漪”。只有在最高能量的事件中，引力波效应才能达到较为显着的程度。但即便在那些情况下，这些效应也十分微弱，引力波至今仍然没有被探测到。人们已经做了许多尝试，但是要探测到我们周围空间的波动效应，需要令人难以置信的精度--相当于要以小于一个原子核的大小的精度，来测量一根1英里长的棍子的长度。或许最有希望的探测手段是利用卫星，目前正有许多项目计划在酝酿中。探测引力波将使我们得以了解一系列全新的物理环境和天体，其中包括宇宙中一些极为罕见的现象。

尽管我们还没有探测到引力波，但从一类称为（也是我们已知的唯一一类）双脉冲星的系统--两颗互相绕转的致密的中子星--中，已有了显着的证据表明了它的存在。由于这些令人惊异的天体发射出极其规则的能量脉冲，可以穿越遥远的宇宙距离，因此我们能够以极高的精度获得它们的轨道时间。天文学家们已经发现，双脉冲星正旋转着互相靠近对方，这意味着必定正有能量从系统中丧失。散失的能量，与理论预言中以引力波的形式释放出的能量吻合得相当好，但除非我们测量到引力波本身，我们还不能确定已得到了答案。

9．宇宙中的中子星

质量较大的恒星的结局则有所不同。尤其是当恒星质量很大时，它的核心变成白矮星后，质量仍超过了所谓“钱德拉塞卡质量”，即1.4倍太阳质量，这时量子简并压力也不足以和引力抗衡了。相反，引力是如此巨大，以至于质子和电子都被挤压在一起，变成了中子，恒星成为一颗“中子星”，它的密度比白矮星还要大得多，一勺中子星物质的质量就与全人类的总质量相当！中子星个头极小，直径不超过15千米，但它们的平均质量高达太阳质量的1.5倍。如果你能站在一颗中子星的表面，你的重量将达到百亿吨的量级。中子星实际上也是超新星遗迹中最常见的天体。我们看到的神秘天体--脉冲星，其实就是中子星的一种伪装。

在超大质量的超新星爆发事件中，中子星也不是快速坍缩的恒星核心的最终结局。一旦它的核能被耗尽，坍缩开始了，但这次它是如此猛烈，以至于没有什么能阻止它。恒星不停地坍缩、坍缩，变得越来越致密，经历了中子星阶段也不会停止。在此过程中，逃逸速度不断增加。任何质量小于8倍太阳质量的恒星都将以白矮星或中子星的形式结束它的一生。如果恒星的质量比这更大，坍缩将势不可挡，正如我们已经看到的那样，一颗黑洞由此而生。

10．“红巨星”的太阳

展望更遥远的未来，大约离现在50亿年，太阳核心的氢将燃烧完毕，再也没有氢剩余下来--它们全都在核反应的过程中被转化成了氦。核心突然失去了由核反应释放出来的辐射压力的支撑，在强大的引力作用下，坍缩不可避免地开始了。外层物质轰塌而来，压缩了核心并且加热了物质。直到现在，氦原子核还没有参与核反应。然而，在几秒钟的时间里，温度就将升高到足以触发新一轮的核反应的程度：氦原子核聚合形成铍原子和锂原子。这个核反应的效率要高得多，其后太阳的辐射将比现在强2000多倍，而且它的体积将急速膨胀，并将水星和金星吞没其中。太阳，终于变成了一颗红巨星。

在演化过程中的某一阶段，红巨星的太阳变得不稳定起来。通过一系列剧烈的脉动，它的外部包层被吹离到遥远的星际空间中，形成所谓的“行星状星云”。

需要指出的是，行星状星云和行星毫不相干，它只是一颗演化到了晚期的恒星抛射出的外包层。它们是宇宙中难得的奇观，有着绚丽多姿的美丽外表，但存在时间却只有几万年。其中最着名的是天琴座环状星云（M57），用一架小型望远镜即很容易地找到它，因为它正好位于两颗肉眼可见的恒星--天琴座和天琴座--的中间，靠近明亮的织女星，甚至用中等口径的双筒望远镜也能看到它。在望远镜中看，它像是一个发着微光的圆形轮胎。M57看上去是对称的，但是别的行星状星云的形态却千差万别，令人眼花缭乱，它们的形状取决于物质从中央恒星处抛射出来的确切物理过程。目前看来最常见的形状是沙漏形，即大多数物质都沿着恒星磁场的轴线方向分布。根据这个模型，行星状星云既可以是沙漏形的也可以是环形的，取决于我们看到的是它的侧面还是正面。粗略地讲，这一模型是准确的，但是还有许多细节有待于更详细的解释。从化学上看，行星状星云是宇宙中最令人感兴趣的区域之一。行星状星云形成的早期，在中央恒星发出的光辐射的作用下，形成了许多复杂的分子。

11．白矮星：坍缩了的太阳

同时，回过头来看中央恒星，既然可供燃烧的燃料都耗尽了，就再也没有什么能阻碍恒星在它自身引力作用下的坍缩了，而且这种坍缩发生得非常快速。最终，恒星的密度变得如此之大，导致一种新的抵抗力简并压力的产生，开始发挥作用并与引力相抗衡。简并压力的产生是“不相容原理”的结果，这是量子力学理论中的一条基本原理，即不可能有两个粒子能处于同一种状态下，也就是说，如果两个具有相同的电量、质量和能量的粒子靠得太近，它们就会互相排斥。恒星会一直坍缩，直到简并压力和向内挤压的引力恰好达到平衡为止。在这个新状态下的恒星成为一个比地球还小但是密度却高得令人难以置信的致密球体，称为“白矮星”。一勺白矮星的物质即重达数吨。到这一阶段，地球将退离至距这个能源耗尽的太阳的虚弱残骸2.7亿千米的地方。

接下来的命运又将如何？答案是“变化不大”。白矮星是资源枯竭的恒星，它没有能源，能做的唯一一件事就是在微弱的辐射中慢慢变暗，最后变得和周围环境温度相同。它变成一颗冰冷、暗淡的黑矮星所需要的时间之长超乎想象，事实上，相比之下宇宙都显得太年轻，还没能形成一颗黑矮星。或许我们的太阳将定格为一颗微小的、死亡的黑矮星，但仍然被残存的行星所环绕。