书城科普读物地球的终结
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第91章 质子衰变

宇宙形成后的12年,星系将是黑暗的、分散的。黑洞、中子星、白矮星和棕矮星在宇宙中遨游(那些我们还能通过小小的宇宙地平线看到的天体),亮度与之前比起来将显得非常微弱。

但是即使已是这么“狼藉”,也不是最终的结果。

物质不是永恒的。我们知道,很多类型的原子核和亚原子颗粒都会衰变。铀带有放射性:过了一段时间,一个铀核将“自发地”裂变成较轻的元素(这个过程被称为核裂变),并释放出一定的能量。核裂变的时间是随机的,但是如果增加样本数量,还是有章可循的。我们可以计算样本衰减一半需要的时间,这个数字是非常稳定的。对于铀来说,它的样本衰减一半(变成铅)需要45亿年。这个时间长度就是铀的半衰期(half-life)。如果用一磅铀作为样本,那么过了45亿年,还剩半磅,那一半已经变成铅了。再等45亿年,剩下的铀的一半也会变成铅(还剩四分之一磅铀)。再过45亿年,就剩下八分之一磅了。最终,它会全部变成铅,但你要有足够的耐心。

中子这样的颗粒也会衰变,它们的半衰期大约是11分钟。只有在它们处于单独状态、自由遨游时,这种情况才会出现;在原子核中,它们很稳定(有人说,这有点像企业中的情形)。当它们衰变时,会产生一小撮更小的颗粒和一点能量。

直到最近,质子还被认为是永远稳定的。不过当面对宇宙灭亡这样一个时间跨度时,“永远”就有了不同的意思。

从理论上说,质子衰变成低质量的颗粒是非常难的,平均时长在133-145年之间(确切的数字还不清楚,因此为了避免争论,我们选一个中间的数字:137年)。目前,还没有明确地看到衰变的质子,我们不必等那么长时间:如果我们收集足够多的质子,比如137个,那么我们就能看到每年衰变一个。这个办法已经被付诸实施,科学家还没有看到任何质子发生衰变。如果衰变时间偏离一点——比如是138年——那么这将使得这个过程更难观测……不过138年与我们在本章中讨论的时间比起来仍然很小。不过科学家们坚信它们会的,只要有足够的时间。

我们有的是时间。在一个给定的质子样本——比如说,一个白矮星——中,一半的质子会在137年后衰变。再过137年,又会有一半衰变。过了几个138年后,它们将全部消失。

和其它亚原子衰变反应一样,当质子衰变时,它会产生更小的颗粒和能量。届时,质子衰变释放的能量会把其所在的天体稍微加热。

在最后的聚变光源燃尽良久以后,在宇宙中的所有材料物体都已冷却到接近绝对零度时,我们发现了另一个能量源:来自质子衰变的热量。

当然,它很微弱:给定一个白矮星,由质子衰变释放出的能量仅有大约4瓦。我的微波炉需要的能量都比这多!即使整个星系充满了这样的能量源,其发出的能量也不到目前太阳发出能量的万亿分之一。而且,它发出的光能量还非常低,勉强算是无线电。

如果我们跳出既定思维(这不仅是一次思维跳跃,而是一次跨星系的超空间遐想),假设在简并时期的后期还有某种形式的生命存在,那么它们必须想好办法生存下去。我们说过,能供它们使用的能量已非常少,制作一桶爆米花或者任何其它的能够在看电影时吃的东西。都会很困难。

回到正题,每次质子在白矮星或棕矮星内部衰变,都会流失相应的质量。每次失去的并不多——质子很小——但是在未来的137年里,时间将“化微小为伟大”。白矮星最终将会“失血过多而死”由于简并物质的奇异特性,低质量的物体在流失质量时体积实际上是在增加,和我们通常的感觉正好相反。白矮星从地球大小开始,过了139年,会扩张到木星那么大。当它们流失质量时,会经历一些奇特的阶段。比如,当它们拥有和木星差不多的质量时,它们的密度和水相同(当白矮星最初形成时,它们的密度可是水的数百万倍),而且基本上完全由氢组成(所有更复杂的元素都已随着质子的衰变而被分解了)。这个物体的温度将会低到结冰的程度,可以说就是一个1万英里宽的“氢冰球”。

中子星也会经历这个“质量蒸发”的过程。由于内部质子比较多,它们消失的速度比白矮星要慢。温度也更高:它们将以-454华氏度的温度闪烁。今天来看,这个温度是极低的,不过在138年后,这将是尚存的温度最高的物体了。

最终,它们也会随着质子的衰变流失质量。在某个时点上,它们的万有引力将屈服于中子的简并,这个恒星会突然地扩张成像白矮星的物体。不过,这无济于事,我们已经知道后面会发生什么。

在简并期的末尾(14年后),所有的星系不仅都已灭亡,连它们的尸体都被“亵渎”了。宇宙中连一个质子都没有了。没有了恒星,没有了白矮星,没有了中子星……甚至连行星也没有了,它们在白矮星死之前就已经“挥发”了。

剩下的只有能量极低的光子,一些不会衰变的亚原子颗粒(电子,正电子,中微子)还有黑洞……