萬物的終結：宇宙毀滅的5種方式

名人推薦：【專文推薦】
曾耀寰 中研院天文所研究技師、《科學月刊》總編輯

共同推薦：
吳建宏 中央研究院物理所研究員
PanSci 泛科學

【各界讚譽】

一次關於潛在宇宙末日激動人心的旅程……除了深厚的專業知識之外，麥克女士對傳達宇宙末日細節、富感染力的熱情，使得《萬物的終結》超越我讀過的任何相關主題的書。——《華爾街日報》

優秀、影響深遠……這本書是消除世俗憂慮的完美解藥。――《科學》

麥克將宇宙的終結變成了一個起點，並對科學的力量進行了平易近人、熱情的調查。生動而原創，是科學寫作的範本。——《...

第二章
從大霹靂到現在

開始就暗示了結束，也需要結束。
――樂克（Ann Leckie），《輔助正義》（Ancillary Justice）

我很喜歡關於時間旅行的故事。我們當然可以輕易對時光機的物理原理吹毛求疵，或把出現的各種悖論一一列舉出來，但這個想法十分吸引人，即我們也許能找到一種方法，打開通往時間的大門，讓我們能知曉並干預過去和未來，讓我們擺脫這列失控的「現在」列車，無情地駛向某種未知的命運。線性時間似乎是如此受限，甚至是浪費—為什麼僅僅因為時鐘向前移動了幾格，我們就永遠失去了這些時間、所有這些可能性？我們可能已經習慣了嚴格的時序壓迫，但這並不意味著我們必須喜歡它。
幸運的是，宇宙學能幫上忙。當然，不是任何實際意義上的—我們在談一個相對深奧的物理學分支，它絕不可能讓你拿回昨天丟在火車上的雨傘。只不過雖然你的生活保持不變，但關於存在的其他一切都永遠改變了。
對宇宙學家來說，過去並不是遙不可及的失落境界。它是一個真實的地方，是宇宙中一個可觀測的區域，也是我們投入大部分工作時間的地方。我們只要安靜地坐在辦公桌前，就能觀察到數百萬甚至數十億年前天文事件的進展。這個技倆並不是宇宙學特有的，而是我們所處的宇宙結構所固有的。
歸根究底其實就是一句話：光的傳播需要時間。光速很快—大約每秒3億公尺—但仍然不是即發便至。在日常生活中，當你打開手電筒時，手電筒發出的光大約每奈秒（10-9秒）前進30公分，而你所照亮的物體反射回來的光線，需要同樣長的時間才能映入你的眼簾。事實上，不管你看的是什麼，你所看到的影像（其實只是物體反射的光進入你的眼睛）在送到你眼前時，都已經有點舊了。從你的角度來看，在咖啡館裡坐在你對面的人，已經是過去幾奈秒的人了，也許這多少解釋了他們留戀的表情和過時的時尚感。就你而言，你所看到的一切都已成為過去。如果你抬頭看月亮，你看到的其實是1秒多一點之前的月亮。你看到的太陽是8分鐘多前的。而你在夜空中看到的星辰，更是來自遙遠的過去，從幾年到幾千年不等。
你可能早就熟知這種光速延遲的概念，但其意義極為深遠。這意味著作為天文學家，我們只要觀察天空，就能看到宇宙從早期到今天的演變在眼前上演。我們在天文學中使用「光年」這個單位，不僅是因為它是便於使用的大數值（大約9.5兆公里），還因為它能告訴我們，光從我們所觀察的物體而來，行進了多久。從我們的角度來看，10光年外的恆星已經是10年前的事了。100億光年外的星系，已經是100億年前的事了。由於宇宙只有大約138億年的歷史，所以那個距離100億光年的星系，就可以告訴我們宇宙年輕時的狀況。從這個意義上說，凝望宇宙就等於凝望我們自己的過去。
對此有一個重要的警告，如果不提就是我的失職。嚴格來說，我們根本看不到自己的過去。光速延遲意味著物體距離越遠，它所身處的過去就越遙遠，而且這種關係是非常嚴謹的：我們不僅看不到自己的過去，也看不到那些遙遠星系的現在。距離越遠的東西，在宇宙時間線上的間隔就越大。
那麼，如果我們只看到其他星系很久以前、距離遙遠的過去，我們如何才能瞭解我們自己的過去呢？這就要說到一條原理了，因為對宇宙學太過核心，所以它乾脆被命名為宇宙學原理（cosmological principle）。簡而言之，這條原理指的是，就所有實際目的而言，宇宙在任何地方基本上都是相同的。顯然，這在人類尺度上是不正確的—地球表面與深太空或太陽中心當然大不相同—但在天文大尺度上，整個星系也只能算做一個無趣的斑點，那麼宇宙在各個方向上看起來當然都是一樣的，並且由相同的東西所組成。這想法與哥白尼原理（Copernican Principle）密切相關，哥白尼原理是哥白尼（Nicolaus Copernicus）在16世紀提出的觀念，曾被視為異端，即我們在宇宙中並不佔據「特殊位置」，而是某個可能隨機選到、再普通不過的位置。因此，當我們觀察一個10億光年外的星系，看到它在一個比我們現在的宇宙年輕10億年的宇宙中，並看到它們10億年前的樣子時，我們可以有十足的信心認為，10億年前的這裡，環境應該與它們是十分相似的。在某種程度上，這可以透過實際觀察來檢驗。對整個宇宙中星系分布的研究發現，宇宙學原理所暗示的均勻性，在我們所看到的任何地方都成立。
結果就是，如果我們想瞭解宇宙本身的演變，以及我們銀河系成長的環境，我們只需要觀察遙遠的東西。
這也意味著在宇宙學裡，並沒有定義明確的「現在」概念。或者更確切地說，你所經歷的「現在」，完全只是針對你、你正身處的地方、你正在做的事而言。如果我們現在看到一顆超新星（supernova）爆炸的亮光，看著它當場爆炸，但那束光其實已經行進了數百萬年，那麼「那顆超新星現在要爆炸了」這句話到底是什麼意思？我們所看到的東西本質上完全是過去的事情，但那顆爆炸恆星的「現在」，對我們來說是無法觀察到的，而且我們在數百萬年內都不會得到任何關於它的知識，這使得它對我們來說不是「現在」，而是未來。
當我們把宇宙想成存在於時空（spacetime）之中—一種蘊涵一切的宇宙網格，其中空間是三個軸，時間是第四個軸—我們可以將過去和未來，視為同一織面上的遙遠點，伸展橫跨宇宙的誕生到終點。對於落在這個織面上不同位置的人而言，對我們來說屬於未來的事件，對他們來說可能是遙遠的過去。而我們幾千年後才能看到的事件所發出的光（或任何訊息），「現在」正穿過時空流向我們。那麼這件事是發生在未來，還是過去，還是兩者皆是？這一切都取決於視角。
如果你習慣以3D世界來思考，這麼一想的確會讓人頭昏腦脹，不過對天文學家來說，非無限（noninfinite）的光速是非常有用的工具。這意味著我們不只可以尋找宇宙遙遠過去的線索—它的痕跡和殘餘物—更可以直接看著它，觀察宇宙隨著時間的變化。我們可以窺見才30億年的宇宙，在恆星形成的文藝復興時期，星系爆發出萬千光芒（如果不是藝術和哲學性的話），還可以看到這些光芒在隨後的宙（eon）中如何黯淡下去。我們甚至可以看得更遠，看到物質在不到5億年的宇宙中被捲進入超大黑洞，當時星光才剛開始穿透星系之間的黑暗。
不久之後，借助新的太空望遠鏡，我們將能夠觀察到宇宙中最早形成的一些星系—在宇宙只有幾億年歷史時形成的。但如果這些星系是第一批，那麼如果我們回顧得更遠的話會怎麼樣？我們能看得遠到還沒有星系的時候嗎？我們打算這麼做。現在正在建造的電波望遠鏡，也許能夠透過利用光和氫之間的偶然相互作用，來觀察誕生第一個星系的物質。透過直接觀察氫，這種有一天會變成恆星和星系的物質，我們可以觀察宇宙形成中的第一個結構。
但如果我們回顧得更遠呢？如果我們回顧到恆星、星系、氫氣存在之前的時代會怎麼樣？我們能看到大霹靂本身嗎？
是的，我們可以。

看見大霹靂
有一種流行的說法是把大霹靂描繪成某種爆炸—光和物質從一個點突然爆發，在宇宙中滾滾而出。其實不是這樣的。大霹靂不是宇宙內部的爆炸，而是宇宙本身的膨脹。它也不是在某一點發生，而是在每個點發生。今天宇宙空間中的每一點—遙遠星系邊緣的一處，另一個方向同樣遠的一塊星系間空間，你出生的房間—這些點中的每一個，在時間剛開始時都近得觸手可及，但就在那同一刻迅速拉開距離。
大霹靂理論的邏輯非常簡單。宇宙正在膨脹—我們可以看到星系之間的距離隨時間過去變得越來越大—這意味著星系之間的距離在過去更小。做個思想實驗，將我們現在看到的膨脹倒推回去，倒推個數十億年，總有一刻星系之間的距離必定為零。可觀測的宇宙，包含我們今天所能看到的一切，一定是包含在一個更小、更密集、更熱的空間內。但可觀測的宇宙只是我們現在所能看到的宇宙的一部分。我們知道太空遠不止於此。事實上，根據我們所知，宇宙的大小完全有可能是無限的。這意味著它一開始也是無限的。只是密集許多。
這很難想像。無限就是這麼難搞。擁有無限的空間意味著什麼？無限的空間不斷膨脹意味著什麼？無限的空間如何變得更無限？
這一點我恐怕也幫不了各位。
想在有限的大腦中想像無限的空間，誠非易事。我只能說，在數學和物理中有一些方法可以處理無窮大，這些方法是有意義的，而且不會破壞任何東西。作為一名宇宙學家，我的工作基於這樣一個基本假設：宇宙可以用數學來描述，只要這套數學行得通，而且對解決新問題有用，我就會接受它。或者更準確地說，如果這套數學行得通，而一個稍微不同的假設（例如
宇宙不是那麼無限，但太大了，我們不可能感知到它的極限）同樣說得通，但對我們的經驗或我們可以以任何方式測量的任何東西沒有影響，那我們就可以暫時守著較簡單的假設。所以：無限的宇宙。這可以方便我們工作。
總之，當我們談到大霹靂理論的時候，我們真正想說的是：根據我們對當前膨脹及其歷史的觀察，我們可以得出結論，宇宙曾經有一度，不論何處，都比現在更熱且密度更大。這有時被稱為「熱大霹靂」，指的是宇宙熾熱稠密的整段時間跨度，我們現在知道這是從宇宙誕生0年到38萬年左右的這段時間。
我們甚至可以量化「熱稠密」的含義，並追溯宇宙的歷史，從我們現在享有的涼爽宜人的宇宙，推導出一個高壓鍋煉獄，那裡極端到粉碎了我們對物理定律的所有理解。但這不僅僅是一個理論練習。從數學上推斷膨脹，並推導出更高的壓力和溫度是一回事；直接看到這個煉獄宇宙（infernoverse）又是另一回事。

第二章
從大霹靂到現在

開始就暗示了結束，也需要結束。
――樂克（Ann Leckie），《輔助正義》（Ancillary Justice）

我很喜歡關於時間旅行的故事。我們當然可以輕易對時光機的物理原理吹毛求疵，或把出現的各種悖論一一列舉出來，但這個想法十分吸引人，即我們也許能找到一種方法，打開通往時間的大門，讓我們能知曉並干預過去和未來，讓我們擺脫這列失控的「現在」列車，無情地駛向某種未知的命運。線性時間似乎是如此受限，甚至是浪費—為什麼僅僅因為時鐘向前移動了幾格，我們就永遠失去了這些時間、所有這些可能性？我們可能已...

科學以有涯隨無涯，探索萬物的終結
曾耀寰（中研院天文所研究技師、科學月刊總編輯）

季路問事鬼神。子曰：「未能事人，焉能事鬼？」敢問死。曰：「未知生，焉知死？」當中的季路就是子路，子路個性直來直往，是個血性漢子，有一次問孔子如何侍奉鬼神，孔子直說，侍奉人都不能，豈談鬼神。鬼神與死相干，子路就接著問何為死，孔子依著相同的因果邏輯思維反問，生都搞不清，怎能搞清死亡。
死亡是一種終結，英國經濟學家凱因斯曾說：「說到底，我們所有人都會死。」這是無法避免的事，不論是公侯將相，還是販夫走卒，都是一樣。不同的宗教對生死有不同的詮釋，佛家講的是輪迴，基督教講的是末日，這些都是讓世間的人們能夠淡然，或者接受現世的難，雖說一切苦難和不如意無法避免，但期待有美好的下一世，或者在末日的時候，獲得上帝的救贖而解脫。
未知生焉知死，西方哲學家也是從宇宙萬物的起源開始說起，西元前600年左右的泰利斯說水是萬物之源，阿那克西米尼則把風或空氣看作是原始物質，赫拉克利特認為宇宙是一團活火，恩培多克勒主張萬物是由土、氣、火、水四種元素構成，中國自古談的是金、木、水、火、土，這都是素樸直觀的說法。對於萬物起源的科學發展，要到19 世紀化學周期表的完備，以及20世紀物理的原子論，才有清楚的認識。至於宇宙的生，得靠天文學家的精密觀測和愛因斯坦的廣義相對論（1915年），才能一探宇宙的初始。現今瞭解的宇宙起始於137.87±0.2億年（2018年卜朗克太空望遠鏡資料），我們現在稱大霹靂。在沒有時間、沒有空間的狀態下，突然的大霹靂，產生了時間和空間，我們看到的遠方天體，都隨著空間的膨脹而離我們越來越遠，這後續的發展到現今模樣，本書的第二章〈從大霹靂到現在〉有精彩說明。
莊子曾說：「吾生也有涯，而知也無涯。以有涯隨無涯，殆已！已而為知者，殆而已矣！」因此朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋，人的一生少逾百年，最早文字當數三千五百年前蘇美人的楔形文字，相較宇宙的138 億年，豈不與朝菌蟪蛄無異。更何況在短短歲月汲汲追求宇宙起源，只會更加疲累不堪。但我們人類憑藉著科學理論，加上天文觀測的證據，不僅有涯隨無涯，更有甚者，說出了宇宙至今的演化大要，還可以進一步探討宇宙的終結！這是莊子無法想像的境界。
我們離宇宙的終結更是遙遠，先從近的開始，我們的太陽大約只剩50 億年的壽命，在太陽快用盡發光的能量來源前，會先經過紅巨星的階段，體積膨脹，當擴張到地球時，地球將會被太陽吞噬，進入高溫的煉獄，沒有生物能存活下來。這只是我們地球的終結。說到萬物的終結，就得知道宇宙未來的演化。20 世紀發展的廣義相對論以及天文觀測顯示，宇宙要不是持續膨脹，或是膨脹到後來，進入塌縮的階段，從這些過程，本書作者列出了萬物終結的五種可能：大崩墜、熱寂、大撕裂、真空衰變和大反彈。
宇宙的持續演化都照著科學腳本，如果一開始宇宙膨脹的速度不夠，就會像我們原地向上拋球，上升的球速越來越慢，最終停止上升，重新落回地表，這是大塌縮的概樣。但如果宇宙一開始膨脹速度夠快，物質之間的萬有引力無法造成大塌縮，這時宇宙就無止境的不斷膨脹，在漫長無止境的歲月，所有的恆星終將如太陽一樣用盡燃料，這時宇宙黑夜降臨，根據熱力學第二定律，整個宇宙達到最大熵值，進入熱寂狀態。
20 世紀末，兩個獨立研究團隊分別觀察到宇宙暗能量的證據，顯示宇宙加速膨脹。這就像是向上拋球，球裝了引擎，一直加速向上飛去。現如今宇宙就像裝了暗能量引擎，不斷加速膨脹。但科學家不清楚暗能量是為何物？暗能量會讓星系和星系之間的空間拉開，甚至原子和原子也被拉開，拉大的程度是越來越厲害，整個宇宙最後被無情地撕裂開來。
廣垠的宇宙也受到量子的掌控，粒子物理學標準模型的考量會帶來量子的真空衰變，粒子高速碰撞後，有可能「在你身邊創造出一個量子死亡泡，引發無法想像的毀滅過程，撕裂空間直到永遠」。再更純物理理論的想像，「早期宇宙被兩個相鄰三維膜的劇烈碰撞所加熱，其中一個膜包含後來成為整個宇宙的物質」。碰撞後的兩個膜相互遠離，這兩個膜有可能會碰在一起。這樣不斷地遠離、重逢，再反彈，「一個膜世界火劫宇宙就是一連串永無休止、毀天滅地的宇宙級鼓掌」。
曾有一齣連續劇的大反派對著男主角說：人死了，就什麼都沒了！宇宙萬物也是一樣，五種終結方式令人沮喪，充滿著悲觀的未來，但科學家仍以有涯隨無涯的精神，不斷發展新的理論理解宇宙，不斷用最新的觀測工具看清宇宙，探求宇宙的真相，這些都可以在本書裡學到，不可錯過。

科學以有涯隨無涯，探索萬物的終結
曾耀寰（中研院天文所研究技師、科學月刊總編輯）

季路問事鬼神。子曰：「未能事人，焉能事鬼？」敢問死。曰：「未知生，焉知死？」當中的季路就是子路，子路個性直來直往，是個血性漢子，有一次問孔子如何侍奉鬼神，孔子直說，侍奉人都不能，豈談鬼神。鬼神與死相干，子路就接著問何為死，孔子依著相同的因果邏輯思維反問，生都搞不清，怎能搞清死亡。
死亡是一種終結，英國經濟學家凱因斯曾說：「說到底，我們所有人都會死。」這是無法避免的事，不論是公侯將相，還是販夫走卒，都是一樣。不同的...

推薦文：科學以有涯隨無涯，探索萬物的終結 曾耀寰
第一章：宇宙緒論 Introduction to the Cosmos
第二章：大霹靂至今 Big Bang to Now
第三章：大崩墜 Big Crunch
第四章：熱寂 Heat Death
第五章：大撕裂 Big Rip
第六章：真空衰變 Vacuum Decay
第七章：回彈 Bounce
第八章：未來的未來 Future of the Future
第九章：後記 Epilogue
致謝 Acknowledgments

推薦文：科學以有涯隨無涯，探索萬物的終結 曾耀寰
第一章：宇宙緒論 Introduction to the Cosmos
第二章：大霹靂至今 Big Bang to Now
第三章：大崩墜 Big Crunch
第四章：熱寂 Heat Death
第五章：大撕裂 Big Rip
第六章：真空衰變 Vacuum Decay
第七章：回彈 Bounce
第八章：未來的未來 Future of the Future
第九章：後記 Epilogue
致謝 Acknowledgments