能量/物质的尽头会是什么？
2024-11-19 阅读 43
关于能量和物质的尽头，目前科学还没有完全的答案。根据目前的物理学理论，宇宙中的能量和物质是可以相互转化的，而且宇宙可能是无限的。一些理论认为，宇宙可能会经历热寂，即所有能量逐渐耗尽，导致宇宙进入一个冷寂的状态。但是，关于宇宙的终极命运仍然是一个科学上的谜团，需要更多的研究和观测来揭示。
更新于 2024年11月21日
看起来，提问者并没有定义何谓“尽头”。
如果是想问“在遥远的未来，能量、物质会怎么样”，那么从现在的观测现象看，可观测宇宙里的物质会在遥远的未来全部变为辐射或至少变得非常稀疏，辐射的能量会衰减到非常接近零，暗能量的能量密度或许不会改变。或许，届时可观测宇宙内会再次发生暴胀、出现大量的物质和能量。
提问者说“能量不会凭空产生也不会凭空消失，目前大多数人的认为是能量起源于宇宙奇点大爆炸”，我认为这是不对的。膨胀宇宙中辐射的能量和暗能量并不守恒。热大爆炸不是从奇点开始的。提问者可以看看关于暴胀的论文，也可以暂时参考我回答过的：
不需要有题述的“引起爆炸的能量和奇点在爆炸之前自身的能量”。宇宙大爆炸不是爆炸。提问者要谈“从虚无到如今的宇宙”，想到了宇宙可以从零能量的初始态开始，看起来这不难联系到霍金-哈特尔无边界条件。
1981 年，霍金发表了论文《宇宙边界条件》，提议宇宙可能没有边界，即没有起源或终结。1983 年，霍金与詹姆斯·哈特尔合作提出宇宙无边界模型：在普朗克时期之前，由于量子力学的不确定性原理，宇宙没有时空边界；在极早期宇宙里只有空间、没有时间。那之后，霍金多次谈到，宇宙可以通过量子机制整个涌现于虚无之中。我们可以构建这样的模型：宇宙的总能量是零。在宇宙的总能量是零的情况下，要平衡恒星的能量，简单有效的方法是抬出引力：引力是吸引的，引力能是负的，你必须做功才能把引力束缚的系统（例如地球和月球）分离开。但是，地球的引力能不到构成地球的物质粒子的不变质量所对应之能量的十亿分之一。恒星这样的物体会有更负的引力能，恒星的尺寸越小（它的不同部分相互靠得越近），引力能就越负。可是，在引力能足以抵消自身的不变质量之前，该恒星就足够坍缩成黑洞了，而黑洞具有正的能量。这导致真空的相对稳定，避免在你脸上随机涌现恒星或黑洞[1]。而整个宇宙却能自发涌现。因为引力赋形于时空，允许时空局部稳定且全体不稳定。在全宇宙的尺度下，物质的能量可以被引力能的负能量抵消到零。由此，宇宙可以从无之中自我创生，而不需要一个非常特殊的奇点，或是任何类型的创世者。至于提问者想到的“当今的宇宙是外在或高维空间创造的投影，目的在于观察高级生命形式未来的终点、文明发展灭亡的规律或是其它目的，而外在空间可以通过不同一定的方式凭空产生能量”，我认为这是不必要地引入了目的论，是模拟宇宙论的一种形式。我认为不必对这种假说太当真，在可预见的未来，这假说缺少可证伪性。
熵是系统的量子态的可能排列的数量，这不等同于混乱度。当前可观测宇宙的熵主要来自超大质量黑洞，那之外的所有物质和辐射的熵总量微不足道。
Ethan Siegel 指出：
估计银河系中心黑洞现在的熵约 10^{91}k_{B}10^{91}k_{B} ，是热大爆炸发生时宇宙的总熵的约 1000 倍；当前可观测宇宙的总熵以“将其当成黑洞”的方法计算约 10^{103}k_{B}10^{103}k_{B}；当前可观测宇宙里有数千亿个超大质量黑洞，它们的黑洞熵的总和与可观测宇宙的总熵相近。“熵增定律对宇宙整体不适用”的想法在物理学界并不罕见。宇宙看起来不是封闭系统。自引力系统的熵没有上限。你还可以想到另一些困扰成天滥用“熵增”的人们的疑问：
宇宙的初始态和早期宇宙的熵如何？从高温高密度的早期宇宙到现在，宇宙的熵经历了什么样的变化，是否在某个时刻出现了巨大规模的熵减？在这类问题里，要考虑的不是熵总量而是熵密度。
Ethan Siegel 指出：
热大爆炸发生时，宇宙的总熵（约 10^{88}k_{B}10^{88}k_{B} ）并不低，还集中在约 10 立方米或更小的体积里，具有惊人的熵密度（约 10^{87}k_{B}/m^{3}10^{87}k_{B}/m^{3}）。看起来，暴胀极大减小了宇宙的熵密度。暴胀可能归因于暗能量或其他尚未了解的原因。暗能量的性质还在研究中，看起来它目前正在增长，可能是无止尽地增长。今天，超大质量黑洞的熵密度、可观测宇宙的熵密度远低于极早期宇宙。银河系中心黑洞的熵密度约 10^{51}k_{B}/m^{3}10^{51}k_{B}/m^{3}，可观测宇宙的平均熵密度约 10^{27}k_{B}/m^{3}10^{27}k_{B}/m^{3}到约 10^{28}k_{B}/m^{3}10^{28}k_{B}/m^{3}。宇宙的膨胀正在进一步降低可观测宇宙的熵密度。暴胀期间，宇宙的熵密度可能低到约 10^{15}k_{B}/m^{3}10^{15}k_{B}/m^{3}。如果可观测宇宙像现在观测到的这样继续膨胀，那么在遥远的未来，可观测宇宙的熵密度大概会再次回到暴胀前的水平。对于那时会不会再发生暴胀，现有理论还不能给出有效的预测。
参考^但这并不影响涌现总能量零的东西。已经有人在数学上构建出质量零的虫洞、白洞之类东西。
1 并没有很多真正搞理论物理的认为能量起源于宇宙大爆炸。几年前的诺贝尔奖成果计算了“无”的能量。里面举出来质子中子等粒子的质量，绝大多数不来自组成它们的，而是来自一些时空之外的东西，在质子中子内部的空隙里“无中生有”的质量。
2 宇宙不是无中生有，宇宙大爆炸只是我们所在宇宙的起源，在大爆炸以前有别的东西存在，基本上是天文学界，物理学界的共识。所以英文里有些人提倡用universe表示我们的宇宙，而所有的存在，用cosmos来表示。能量守恒也不能确定是适用于整个存在，还是只适用于我们的宇宙。他只是对我们宇宙的归纳性结论。
3 因为没有“无”，因此也没有无中生有，因此另一个共识是，有个东西是永远存在的，宇宙也是从这个东西里产生的，也可以理解为宇宙就是这个东西。
4 量子场模型目前来看不需要时间和空间变量就可以成立，所以量子场是一个时空之外的东西的候选人，也是宇宙起源，一切东西的基础的候选人。宇宙很可能只是一个超大型量子涨落产生的，我们的宇宙可能只是一个水泡而已。
5 能量是张量，它的正负根本不是你认为的那个意思。不过他们确实可以互相消掉，所以从“无”到有并不是什么不合理的事，宇宙的总能量可以是0。你对能量的那一堆解释都是纯粹瞎编，没有一丁点物理依据。
山重水复疑无路，柳暗花明又一村
戛然而止的，是形式。根子上运转不息的，才是精髓和核心
生命也这样，总一个又一个轮回。而生命所托举的“性”命、“使”命，则生生不息，没有穷尽
