本文根据现代天文学和宇宙学知识，特别是根据传统的‘大爆炸’模型，探讨宇宙及其内部事物演化的极远未来，并将笔者早期有关方面的研究工作和一些最新进展作一总结和概述。

宇宙的现代结构

就宇宙的宏观结构而言，可以认为，宇宙的基本成分是星体受本身相互间的引力吸引，聚大约10¹²个星体为一体的各个星系的总合。星系存在于星团（亦称族）中，少则几个，多则几千个。按平均数计算，星系似乎在任意给定时间都均匀地弥漫于整个宇宙。

1930年左右，E. P哈勃发现了有关宇宙演化最令人惊奇的现象之宇宙在膨胀。也就是说，宇宙中所有的星系（同族中的星系可能除外）正在互相逃逸——星系距离太阳系愈远，逃逸速度愈高。通过测定星系间的相对逃逸速度，可以推断，大约在10 ~ 20万亿年以前，所有的星系肯定非常致密地裹为一体。因此通常认为，那时曾发生过一次宇宙爆炸（宇宙中每一点）。爆炸时，宇宙物质迅猛地向各个不同方向散逸，然后凝聚成群，最终演化成现代的星系结构。星系互相逃逸乃是最初爆炸（亦称‘大爆炸’）的持续结果之一。

宇宙是开放的，抑或是封闭的？

宇宙将会永远不断地膨胀下去？或者将最终停止膨胀并开始收缩呢？（继续膨胀的宇宙模型称为‘开放宇宙’，而最终将停止膨胀并收缩的宇宙模型称为‘封闭宇宙’）。这是宇宙学迄今悬而未决的最关键的问题之一。而且，宇宙及其内部事物的最终命运戏剧般地取决于对这个问题的判答。目前，试图寻求解答这一问题的方法甚多，而且大致互相有些联系。一种方法是测定日益减慢的宇宙膨胀速率。另一种方法是测定宇宙目前的平均密度，若所测密度超过某一临界密度，宇宙是封闭的；反之，所测密度小于某一临界密度，宇宙是开放的。临界密度本身取决于宇宙目前的膨胀速率，其值可借助于哈勃常数求得。此外，还有一种方法是测定宇宙的精确年龄，并将所测年龄与哈勃时间进行比较。哈勃时间可通过选用适当的单位由哈勃常数的倒数求得，即得到自‘大爆炸’以来（假设宇宙膨胀速率始终等于目前的膨胀速率）过去的时间。目前，虽然上述种种方法仍存在大量客观的理论疑问，但许多迹象却显示宇宙是开放的（图1）。

星球之末日

在较早期的著作中，我们曾详细地描述过星球衰亡的原因，即达到星球的三个终极状态：白矮星、中子星和黑洞。这里，我们再对这三个状态作一简述。白矮星的组成物质为重元素（如像铁）。在白矮星中，电子被剥裂且能自由运转，及提供平衡引力的压力。白矮星的质量大致同太阳的质量相等，其体积和地球差不多。中子星主要由以巨原子核形式存在的简并中子组成，其质量同太阳的质量差不多，半径约为十公里。黑洞的质量比太阳的质量大几倍，在黑洞中心，物质被挤压到极大或接近极大密度。而且，由于强引力作用，任何物质——甚至包括光——都不能从中逃逸，因此观测不到黑洞中心及边缘区域的一切。

开放宇宙的未来

假设宇宙是开放的，其最终的演化结果究竟如何呢？就当今人类所在的太阳系而言，其最终形态又将怎样呢？可以证明，待到10¹²年左右，太阳系中所有的星体将处于各自的最终状态，整个太阳系将变成一个由黑洞、中子星、冷白矮星和其他更小的冷物体（如像行星、小行星和尘埃等等）组成的统一体。到那时，这些物质虽已在星系中致密地聚为一体，但仍有一些物质将从中放出极微量的辐射。而且，非同族中的星系将继续互相逃逸，经历动态的演化过程，在这一过程中，大多数星体将逃离太阳系向四面八方迸射（图2）。残留的星体将形成一个致密的核心，最终坍缩成为黑洞，其质量约为太阳质量的万亿倍；其尺寸（一切物质不可逃逸的区域）约等于一个光日，即光在一个白昼传播的距离，此过程至少将经历10¹⁸ ~ 10²⁷年。星系群坍缩将形成更大的黑洞，因此，待到10²⁷年左右，宇宙将由这些巨大的‘星系’黑洞组成，星际空间广袤无穷，到处弥漫散逸的中子星、冷白矮星，及独来独往的星形黑洞。

黑洞辐射

按照经典物理学定律，黑洞将永存不朽。然而，剑桥大学的S. W霍金曾做过有关方面的论证。霍金认为，根据量子力学理论，黑洞将源源不绝地放出辐射和损失质量，直至最终完全消失。星形黑洞的寿命大致为10⁶⁵年，而巨大的星系黑洞的寿命将长达10¹⁰⁰年左右。因此，大约待到10¹⁰⁰年后，一切黑洞都将全部消失，当今人类所悉的一切星系将全部融化。那时，宇宙的组成物质只不过是一些杂散的中子星、冷白矮星和更小的行星，以及星系散逸残留的物质碎片。

缓慢而微妙的变化

普林斯顿高级研究院的F. J. 戴森指出：星系散逸残留的物质碎片将发生缓慢而微妙的变化，这种变化的动因在于存在所谓的量子隧穿现象，即存在某种势垒，亦称量子势垒——经典物理学认为不能穿越，而量子力学断言能够穿越的势垒。由于存在这种现象，大约待到10⁶⁵年时域期间，即使最坚硬的物质也终将改变其原型和化学结构，并在引力作用下，像流体一样凝铸成圆球体。此外，由于量子隧穿效应，一切普通的物质碎片都具有放射性，因为任何物质碎片通过核裂变或核裂变反应能释放出能量。除中子星外，一切物质碎片最终必将衰变成为具有最稳定原子核结构的铁，其寿命大致为10⁵⁰⁰ ~ 10¹⁵⁰⁰年。假设把一块立方体金刚石置于太空严加隔绝，那么待到10¹⁵⁰⁰年左右，金刚石将变成铁球！

此外，由于量子隧穿效应，大致到10¹⁵⁰⁰年，所有的冷白矮星将全部坍缩成为中子星！同时，所有的中子星将全部坍缩成为黑洞，最终按霍金过程蒸发（图3）。其他物质碎片也可能衰变，虽然戴森已对宇宙演化的某些可能性作了一些颇有价值的探讨，但根据人们对物质长期稳定性的了解、显然存在许多未确定的因素。如果质子确实不稳定，整个物理学都将受到影响——下面将对此进行探讨。

生命的未来

根据上述情况，预测任何一种生物有机体在这段时域里繁衍昌盛（假设能生存）的动因几乎是不可能的。然而，任何形式的生命繁衍的可能性都取决于可资利用的能源的多寡。只要太阳继续存在，至少在几万亿年内，维系生命的能源将取之不尽，用之不竭。也许，继太阳文明时代之后，当今人类文明世界的后裔可能将移居到某个不同的星球上去，而且这个星球本身也将依靠人造核能得以维系。但是，大约到10¹¹年，一切星球都已衰亡，残存的文明世界也许不得不按照牛津大学的R. 彭罗斯（Penrose）所预示的那样，从旋转中的黑洞获取能量，所以说，只要星系黑洞继续存在并具有旋转能量，人类文明世界也许能持续大约10¹⁰⁰年。可见，人类文明世界能否永无止境地繁衍昌盛，归根结底取决于维系生命所需的有限的能源。对于这类问题，要想寻根究底是极为困难的，但戴森曾提出一些颇为有趣的见解，他认为，某种形式的生命（或许是人造智者）永存于开放宇宙也许是可能的，然而这种假说的前提是质子不衰变，或物质永恒。

封闭宇宙的未来

如果宇宙停止膨胀和开始收缩，其最终命运将非同寻常。在这种情况下，宇宙中一切物质及其辐射物最终必将坍缩，成为一个具有无限大或接近无限大密度的致密空间。但是，这一时域的到来仍取决于宇宙目前的平均密度。假设宇宙目前的密度两倍于其临界密度，那么最终坍缩距今还有10¹³年的光景。在封闭宇宙中，任何一种生命生存繁衍的希望都非常渺茫，生命可能复活的唯一途径展现之日，乃是‘大爆炸’循环和最终坍缩再现，及在某些区域生命的生态重新复苏之时。然而，宇宙的未来究竟何去何从（假设宇宙是封闭的），目前仍然无可奉告。

下面，我们将简述一下与上述问题密切相关的，在粒子物理学和宇宙学领域中的两项最新进展。

巨中微子

按照标准模型，在“大爆炸”后宇宙的早期阶段，物质和电磁辐射遵循于热平衡定律。然而，一旦电子与质子结合组成氢原体系，其平衡状态将不复存在，从而造成宇宙‘透彻’。A. A. Penzias和R. W. 威尔逊最初发现的3°K宇宙背景箱射，就是与物质平衡的辐射能的残迹。依此类推，有人认为，在极早期（“大爆炸”后一秒钟左右）的宇宙中，中微子（质量为零的粒子与其他物质发生作用极为微弱，同电子和质子一样，自旋量子数为半整数。）遵循物质守恒定律早已销声匿迹。因此肯定还存在宇宙背景中微子，背景中微子的温度大致应为2°K。遗憾的是，即使目前宇宙中存在这种背景中微子，现代探测技术仍然无能为力。最近一些迹象已显示，中微子不可能像过去假设的那样质量为零，而可能具有微小的质量。若情况确实如此，及背景中微子确实存在，那么宇宙目前的密度可能比迄今假设的密度大得多。特别是，巨中微子能导致宇宙的密度超过其临界密度，结果造成宇宙封闭。这一问题乃是当今宇宙学研究的热门。

质子衰变

基本粒子相互吸引存在着四种力，这些力包括——按强度递增为序——引力、弱相互作用力、电磁作用力和强相互作用力或核力。长期以来，物理学家们一直梦寐以求用了种理论统一描述这四种力。1967—68年期间，A. 萨拉姆和S. 温伯格发展了S. L. 格拉肖早期的研究成果，提出了弱相互作用力和电磁作用力的统一理论。这一理论断言，宇宙中存在W^±粒子和Z°粒子（上标‘±’和‘。’分别表示阳性、阴性和中性）。最近，欧洲核子研究中心发现这些粒子正如过去所料，具有质量，继萨拉姆 - 温伯格理论成功之后，物理学家们一直在坚持不懈地寻求统一解释三种最强的作用力的理论。这种至今尚无定论的理论被称为大统一理论（GUT）。大统一理论的结论之，是，过去假设永世长存的质子的寿命实际上只有10 ^21±2年。美国、欧洲和印度（实际上是印度 - 日本协作进行研究）的物理学家们目前正在加紧进行有关试验，期测定质子究竟是否稳定。印度 - 日本协作研究小组曾报道过几种可能的结果。欧洲核子研究中心也曾宣布过一项有关质子衰变的研究结果。然而，为获得最终的确凿证据，各个国家的物理学家们不得不重复进行若干次这种艰难的试验。M. 戈德哈伯（Goldhaber）领导下的布鲁克黑文实验室曾做过类似的试验，但未发现任何质子衰变迹象，其结果与印度同行的研究结果不相符合。如果质子确实不稳定，则将对宇宙的遥远未来产生深远的影响，我们的立方体金刚石在变成圆球或蜕变成铁之前，已衰变成为电子和正电子。到那时，由于一切宇宙物质都由质子和中子组成（中子也会衰变），生命的遥远未来则将更加神秘莫测。按照霍金的观点，即使大统一理论有误，质子稳定且能抵抗人们所预言的任何一种衰变，但按照量子力学理论，质子无论如何将会衰变，其寿命大致为10⁴⁵ ~ 10⁵⁰年，因此，若质子稳定论毫无根据，上述图景必将适当地加以修改。

[Endeavour，New Series，1984年第8卷第1期]