宇宙中有哪些细思恐极的事？ 第1页

关于宇宙的最终结局有很多假说，比如被不断增强的暗能量撕成亚原子碎片的大撕裂，熵增到最高陷入热寂的大冰冻，还有重新收缩到奇点的大反弹。哪一种假说会最后成为现实，现在还不得而知。然而，即使这些假说都没有最终实现，宇宙也将在漫长的岁月中，慢慢陷入无边的黑暗和死寂。

下文的主要内容来自Crash Course频道的视频《Deep Time》（https://youtu.be/jDF-N3A60DE）

天体物理学家弗莱德·亚当斯和格里高利·拉夫林在《宇宙的五个年代》(The Five Ages of The Universe)中，把宇宙的生命分为五个纪元。我们可以沿用这五个纪元的划分，来看看宇宙的最终结局。

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1. 原初纪元（Primordial Era)

原初纪元的范围是从宇宙大爆炸到4亿年后，第一颗恒星诞生。这个纪元已经过去了。

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2. 恒星纪元（Stelliferous Era）

恒星主宰宇宙，繁星布满夜空。生活在这个时代，无疑是我们的幸运。

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恒星纪元什么时候结束呢？或者说，最后一颗恒星什么时候会熄灭呢？质量越小的恒星，寿命越长，因为它们在核聚变中把氢转化为氦的速度越慢。最小的红矮星可以持续1万亿年。在宇宙幼年时形成的红矮星到现在只用了1%的氢。从人类的角度来看，它们还是婴儿。

现在，星系还在搅拌着星云，用星云气体创造新的恒星。但是，气体终有耗尽的一天。据估计，数十亿年后星云气体的供给将会后继乏力，新生的恒星越来越少，而已经诞生的恒星会用尽燃料，一个接着一个逐一熄灭。在这以后，诸如星系碰撞之类的事件会创造一些新恒星，延长恒星创生的年代。但是，和红矮星万亿年的寿命想比，延长500亿年甚至1000亿年都没有太大的区别。

当大量恒星熄灭的时候，星系将改变颜色。现在，多数星系都表现出耀眼的蓝白色，体积庞大的明亮恒星是星系内的主要光源。当这些恒星死去，质量较低的暗恒星成为主角，星系的颜色也会随之变暗变红。

星云气体耗尽后几十亿年，星系中只有长命的红矮星还在发光。这种情况将持续1万亿年，也许更长。可能质量最低的红矮星能持续10万亿年，但是在这里10倍并不是一个太重要的数字。在宇宙悠长的生命历程中，它们只是一些统计上的小小起伏。

3. 简并纪元

当最后一颗恒星熄灭，宇宙中释放能量的就只有恒星的遗骸：白矮星，中子星和黑洞。另外，还有一些棕矮星，它们的质量在恒星和行星之间。除了黑洞，白矮星和中子星都是由各种简并压力支撑，也就是说，在几万亿年以后，恒星纪元将会结束。简并纪元来临了。

宇宙将会变得十分黑暗，至少对人类的眼睛是如此，如果那时候还有人类的话。如果我们可以看到红外线，宇宙会明亮一些。这些天体还是比较温暖的，所以会有多多少少的红外辐射。中子星和白矮星诞生时非常热，然后慢慢冷却。冷却的速度和它们的大小有关，但是在几万亿年后，它们应该都会降到室温。所以，在简并纪元里，随着时间的流逝，宇宙慢慢变冷。

但是，这个纪元中也会有昙花一现的光明。在孤寂的宇宙中联袂起舞的白矮双星最终会走到一起。经过数万亿年，白矮双星的轨道将会由于引力波能量辐射而衰减（

），双星在合并的刹那爆发出夺目的光彩，成为超新星。同样，中子双星也会合并，爆发，形成伽马射线暴，它们的亮度将超过1000个星系。但是，这只是短暂的事件，宇宙很快回归黑暗。

有趣的是，棕矮星是更好地能量来源。棕矮双星会合并形成低质量的恒星，然后在几百亿年中为黑暗的宇宙带来一点光明。

但是，在时间面前，没有任何东西可以保持到永恒。不但对于宇宙和恒星是如此，对于微观世界中的质子也是如此。质子的半衰期是10^34年，也许更长。当质子开始衰变，物质将会分解，白矮星，中子星，棕矮星，行星，都会消融在空间中。不过，值得欣慰的是，这个过程有一个亮点。白矮星分解的时候会释放能量，功率可达400瓦（微波炉功率的一小半）。

注：白矮星此时应该已经完全冷却，成为黑矮星了

4. 黑洞纪元

在10^40年以后，最后一颗简并天体也消失了，宇宙中只剩下了黑洞这一种天体。

宇宙进入了黑洞纪元。

在我们的印象中，黑洞是吞噬一切的无底洞。然而，黑洞可以同过一种方式产生能量 ——蒸发。20世纪70年代，史蒂芬 霍金用量子力学研究黑洞，发现黑洞确实会向外辐射能量，从而损失质量。越大的黑洞损失质量越慢。一个3倍太阳质量的黑洞（通过超新星诞生的最小黑洞），完全蒸发需要10^68年。这是一个长得近乎荒谬的时间，但是宇宙可以等待。而星系中心的黑洞要完全蒸发，需要10^92年。1后面92个0，就是下面这个数字。

这个数字如此之大，我们甚至无法找到一个东西来进行类比，因为它甚至大于已知宇宙中的基本粒子的个数（10^85）。

当黑洞质量变小，它的蒸发速度就会加快。最后，黑洞会在一道闪光之后消失的无影无踪。这是黑洞纪元唯一的光。

5. 黑暗纪元

最后，一切的消失了。宇宙中只剩小了能量极低的亚原子粒子和光子。这是10^92到10^93年以后。这是，我们可以有把握地说，宇宙已经死了。

宇宙进入了黑暗纪元。如果时间还有意义的话，这个纪元将会延续到无穷。

6. 其他可能的结局

如果暗能量按照现在推测的那样持续增强，宇宙将走向另一个结局：大撕裂。在这个结局中，没有任何力量可以对抗空间膨胀，所有的物质都会瓦解，连原子都会被撕成碎片。大撕裂将会在黑暗纪元以前发生，但是这个结局并不比黑暗纪元更加光明。

最后，我们还有一个非常微小的希望可以得到一个光明的新宇宙。量子物理中有一个猜想，也许我们的真空并不是一个最低能量状态。就像你站在一个台阶上，而你下面还有一级台阶。

当宇宙在黑暗纪元中沉睡无数年以后，也许一小片空间因为不管什么原因，跌落到下一个能级——真正的真空。它会带动周围的空间纷纷跌落。这时，奇怪的事情发生了，在这些跌落的空间中，物理定律将被重写，时间和空间将被抹去。这个区域迅速扩展，留下的地方是一个新的宇宙。也许这也是我们的宇宙的来源。

这个猜想给了我们一个新宇宙的希望。这个希望虽然渺茫，但是有一丝希望，也好过在黑暗和寒冷中沉睡到无穷。

宇宙最细思恐极的是他的尺度和他的空旷。

很多人对光年完全没有概念，1000亿光年在很多人的大脑里和1000亿公里没有什么区别。实际上，1光年=9.4607×10^12 公里，约63240个天文单位，这个距离实在太大了，已经远超人脑的像，我们必须把他极速缩小到我们日常生活中的大小，这个问题才有思考的意义。

1.太阳系

我们现在不妨先把地球缩小到玻璃弹珠的大小，也就是0.6cm半径的一个球，地球的半径是6000km，正好缩小了10亿倍，在这个尺度下，月球的半径是0.17cm，也就一颗砂石大小，地月距离是0.3m，和你家客厅茶几的半径差不多大，想象一下，在你家的客厅的茶几中间，有个小小的蓝色玻璃弹珠，在茶几边缘是一个石子正在绕着这个蓝色弹珠做圆周运动，这就是我们的地月系。

在这个体系下，光速是如此的缓慢，仅为0.3m/s，约1km/h，和风烛残年的老太太缓缓踱步或者海龟前行的速度相当。但这已经是这个宇宙速度极限了。

太阳的直径是1.39m，像一个水上乐园常见的水上步行球。水星、金星、地球、火星分别距离这个大水球60m，108m，150m，200m，他们组成了太阳系的内轨道。想象一下，在天安门城楼上有一个直径1.39米的大火球，金水桥上有一颗直径仅为0.4cm的炙热小白子（水星），长安街上有一颗直径1.2cm的金色弹珠（金星），旗杆处还有一颗直径1.2cm的蓝色弹珠（地球），花坛处还有一颗0.6cm的红色石子（火星）。

再往外呢？人民英雄纪念碑处有大量数以百万记的PM2.5和小尘埃，他们是这个星系的小行星带。木星轨道距离太阳779米（5个天文单位），大约相当于毛主席纪念堂那摆了个直径13cm的篮球，有79颗大大小小的玻璃弹珠和小石子围绕这个篮球旋转，那是木星的卫星。土星和太阳的距离达到了1.4km（10个天文单位），几乎是木星的一倍，相当于在比大栅栏还略远的地方又一颗11.6cm直径的橄榄球，他拥有82颗卫星。

再往外就更加空旷了，天王星的轨道比土星又增加了一倍，达到了惊人的3km（20个天文单位），那是天坛公园附近一颗直径5cm的网球；海王星距离太阳4.5km（30个天文单位），那是一颗比二环路还略远的地方的一颗直径4cm的棒球。

如果把海王星的轨道比喻成二环路，那么太阳系的空旷程度已经令人乍舌了！四九城这么大的一片区域，竟然只有几个小球和一些弹珠。这个已经和我们想象中八大行星的分布已经有很大的不同了。事实上，让人没想到的是：八大行星之外的太阳系空间才叫空的惨绝人寰！

再往外走，7.3km在大约三环路附近我们遇见了冥王星，一颗直径0.2cm的小小石子。接下来是7.7km大红门附近的妊神星，0.09cm的沙子；7.9km北京大观园附近的鸟神星，0.18cm的石子；14km远在石景山区的霓神星，0.13cm的砂石；他们构成了太阳系中的矮行星。

再往外，星际空间逐渐稀疏，当然你仍然可以找到一些彗星的远日点，但其实大多数彗星的远日点在柯伊伯带和矮行星公转平面内，比如哈雷彗星的远日点仅仅在5.2km处（中华世纪坛，35.1个天文单位），那是一颗肉眼完全无法看见的细菌般大小的星星。在远达50km（350个天文单位）大约是整个北京直辖市的范围内，都是柯伊伯带和离散盘以及海王星外行星、彗星的活动范围。人类观测到的最远的彗星远日点是海尔波普彗星，其远日点在54.5公里之外（363个天文单位）。

再延伸开去，在距离天安门城楼50km至18000km（2光年，12万个天文单位 ！）的范围内，都是空寂的奥尔特云。

这个奥尔特云已经大的没谱了，要知道地球的半径也就才6000km，如果以天安门城楼为中心，把太阳系缩小十亿倍，地球变得像玻璃弹珠那么大，太阳系仍然充满了整个地球，而太阳系内的大部分星球竟然都聚集在天安门广场的狭小范围内！一个老太太以0.3m/s的速度，8分15s走到旗杆处，4小时10分钟就到了四九城老城根脚下，2天的时间就走到了位于河北廊坊的奥尔特云边缘，仍然需要两年的昼夜兼程才能走完这18000km的漫长距离，才能穿过奥尔特云，抵达太阳系的边缘。

2. 银河系

奥尔特云是如此稀疏，每立方千米仅仅平均只有三个原子，然而和更加荒凉的银河系第二悬臂比起来，其密度已经接近无穷大。

让我们继续缩小比例尺，从1:10亿再缩小10万倍，到1:100万亿，来考察一下银河系里究竟有什么。

在这个比例尺下，1天文单位=1.5mm，1光年=90m，假设太阳系仍然在天安门城楼的正中央，整个奥尔特云的半径仅仅为180m，大约是城楼到旗杆的距离。这个时候，太阳的直径为13.9微米，这已经是一个非常非常小的存在了，最小的尘埃都有10微米，而人的头发丝也有50微米。

地球的直径为120nm，比最小细菌还要小1个数量级，和病毒相当，我们在这小小的病毒上建立了文明并开始观测宇宙。这个时候，海王星的外轨道半径是4.5cm，整个太阳系的八大行星都在一个巴掌大小的轨道平面运行。

离我们最近的恒星是约400m的半人马座三星系统，在人民英雄纪念碑附近，其中一颗直径150nm的比邻星是离我们最近的恒星，他是一颗红矮星。他和我们远达25万个天文单位的距离在太阳系的尺度下已经大到没边，但在银河系的尺度下还真是天涯若比邻！

蛇夫座的巴纳德星位于500m开外的人民大会堂一侧；两颗棕矮星构成的luhman16，在600m之外的故宫午门；狮子座的沃夫359和大熊座的拉兰德21185位于700m外的新华门；然后是大名鼎鼎的天狼星双星，他是夜空中最亮的一颗星，他位于800m外的国家歌剧院上，人类的探测器旅行者一号将在十万年后到达这里（他现在刚刚抵达距离太阳22cm约150个天文单位的地方，正在龟速前行，需要3万年才能穿过奥尔特云）；最像太阳的波江座天苑四位于900m开外故宫太和殿；而小犬座的南河三在1000多米开外的故宫保和殿……

这些就是离太阳最近的星星们，在以天安门为中心，天安门广场+故宫（15光年）的范围内，仅仅存在32颗大大小小的恒星，每一颗都比最小的微尘、最细的发丝要细小的多。这里是荒凉的银河系第二悬臂，人类星际航行面临的最大问题是孤独而荒凉的星际空间。

牛郎星和织女星都不算太远，分别位于天蝎座1.4km（17光年）的前门和天琴座2.1km（25光年）的琉璃厂。

70年代收到的“Wow”信号据信来自于人馬座χ¹，这里是3.6km（40光年）外的先农坛，这似乎是人类距今为止发现的最像外星生物发出的电磁波。

有可能产生生命的最近的类地行星开普勒186f行星位于40km（496光年）开外位于首都国际机场的天鹅座开普勒186恒星，他拥有和地球一样的大气、水，位于宜居带内，如果人类要进行星际移民，这里必将是最佳的选择。

天鹅座的开普勒22b是一颗被海洋包裹的蓝色行星，大小为地球的2.4倍，2009年首次被发现，位于50km（638光年）外的八达岭长城。

另外一颗和地球相似的开普勒452b位于120km（1500光年）开外的天津附近，人类最快的飞船新视野号将在2500万年后到达这里（现在在距离城楼7.5cm，50个天文单位处）。

超级地球开普勒69c则位于240（2800光年）公里外的河北秦皇岛，据信这是最接近地球生态的类地行星，他的轨道距离是1.04个天文单位，而也正好是主序星的第三颗行星。

没了，再没有了，小熊座的北极星位于70公里（840光年）以外的密云水库附近，第二悬臂这里太荒凉了，我们不妨往银河系中心去看看。

马头星云是壮丽超新星爆炸的残骸，位于猎户座，是非常巨大的猎户座分子云团的一部分，位于135km（1500光年）外的河北保定，其本身的尘埃就蔓延了20光年之远，相当于泰山那么高的一团星际尘埃。星际尘埃在远距离的观测下似乎浓得化不开，但实际上也是稀薄如奥尔特云一样的存在。

人类发现的第一颗脉冲星PSR B1919+21（“小绿人1号”），是狐狸座的一颗不起眼的星星，视星等为6。但其自转周期仅为1.33s，用射电望远镜观看非常明亮。位于距离地球190km（2200光年）的河北衡水，他就像一颗不知疲倦的灯塔，以超高速度飞速旋转，向外发射脉冲信号。（或许真是智慧文明创造出来的宇宙灯塔？）

银河系最大的恒星是盾牌座UY星，位于450km（5000光年）外的山东潍坊，直径是太阳的1800倍，达到了2.5cm，比乒乓球还要大一些，光绕行一周需要8个小时。

“万马奔腾”是同样位于人马座的巨大星际云。是360公里（4100光年）外的山东聊城的礁湖星云的一部分。视星等为6，视尺度90*40弧分。无数恒星在这里坍塌、死亡、重生。其中包含由O型星引起的龙卷风结构、由B型超新星爆炸引起的沙漏型结构，蔚为大观。

创生之柱是600公里（7000光年）外位于江苏徐州的鹰星云，在巨蛇座的尾部。他是在大質量的O型和B型恆星所創建，還在逐漸擴大的H II區邊緣發現的。這些恆星通過強烈的紫外線輻射，推擠在附近太空中的星際物質而形成。象鼻管看起來像是大柱子或成列的氣體和塵埃。本身就是横亘在我们和银心之中的珠穆朗玛，是银河系非常壮观的屋脊般的存在。因为这团尘埃的影响，人类在可见光波段无法观测到银心的全貌，不得不发射红外光探测器詹姆斯伟伯来观测银河系的中心。

人类历史上观测到最明亮的超新星是距离640km（7300光年）位于河南商丘的豺狼座SN1006。在半人马座东1度的地方，1006年4月30日与5月1日之间，他的视星等达到了惊人的-7.5，在夜空中明如皓月一般。埃及、欧洲、宋朝都有大量关于此次超新星爆发的记载。

《宋史·卷五十六 志第九·景星》：“景德三年四月戊寅，周伯星见，出氐南骑官西一度，状如半月，有芒角，煌煌然可以鉴物，历库楼东，八月，随天轮入浊，十一月，复见在氐。自是常以十一月辰见东方，八月西南入浊。”

远在美国的印第安人在霍霍卡岩画上亦记录了这颗超新星的爆发。

而四百年前观测到的蛇夫座超新星1604则位于1800km（20000光年）的广州。他是人类观测史上持续时间最长的超新星爆发。

《明史》天文志记载：“（万历）三十二年九月乙丑，尾分有星如弹丸，色赤黄，见西南方，至十月而隐。十二月辛酉，转出东南方，仍尾分。明年二月渐暗，八月丁卯始灭。”

这是人类历史上第一次详细记录超新星的爆发全过程，其爆发持续两年（1604年-1606年，坊间传闻该超新星爆炸和地球小冰期以及明朝灭亡有关），高峰时曾成为全天最亮的恒星，也比金星外的其他行星亮，视星等为−2.5。试想一下，一个在天安门城楼上比晶体纳米还要微小的星球上的生命观测到了广州一颗白织灯灯丝的爆炸，并持续两年，这不得不说是一件非常神奇的事。

“太空烟花”是同样1800km（20000光年）云南红河方向船底座NGC3603，一团主序星被一团团生在生长成恒星的星际气体和灰尘包围环绕。这里拥有大量250万年内的新生恒星，堪称“银河育婴房”。

越靠近银心越瑰丽不是吗？位于人马座的牡丹星云恒星WR 102ka距离地球2340km(26,000光年)的海南三亚，其初始质量为150-200个太阳质量。如此大质量的恒星在宇宙中非常罕见，而且至今对天文物理学家来说都是一个难解之谜，因为这个质量已经超过了爱丁顿极限所推算的单一恒星质量的最大值。超越这个极限的恒星非常不稳定，会通过连续不断的恒星风，流失了大量的物质，试图维持恒星重力和辐射压力之间平衡。从理论上说，这种恒星无法保持自身的完整性，必须分裂成两颗或者更多恒星。可惜的是，由于位于徐州的创生之柱的遮挡，我们无法用肉眼观测到牡丹星云，只能通过红外波望远镜进行观测。

银河系的中心位于牡丹星云更远的南中国海，於人馬座、蛇夫座與天蠍座之间，距离地球2900km（36000光年），这里是“银河帝国”的首都。百亿颗恒星在5000光年半径的平面内运行，最中央是一颗施瓦西半径为440微米（0.3个天文单位）的超大黑洞，其质量为430万个太阳质量，他的吸积盘更是波澜壮阔，因为星际尘埃的遮挡，我们很难想象银心可见光波段的瑰丽雄奇。

银河系中心无疑是瑰丽雄奇的，从银河系反方向寻找，我们将在6000km（70000光年）处到达银河系的边缘，在这个比例尺下，银河系恰好又是地球大小的一个存在。上万亿颗肉眼不可见的尘埃飘浮其中，银河系有他自己的传说，可以想见，无数智慧生命以各种各样的形态：人般的、巨兽般的、昆虫般的、异型般的、细菌般的、蜥蜴般的、飞鸟般的、游鱼般的、水母般的、尘埃般的、植物般的；粘液的、干扁的、湿润的、晶体的、网状的、线状的、块状的、羽状的、鳞状的、树状的、星状的、软体的、机械的、油腻的、清爽的；独立的、索居的、社群的、联合的、共生的、共享的、寄生的、合作的、竞争的、对抗的、战争的；地表的、地下的、水中的、空中的、气体中的、冰下海洋中的、森林中的、冰原上的、岩浆中的、云朵中的、地核中的、流沙中的、硫黄中的、飞船中的、恒星上的、星云中的；固态的、液态的、气态的、流体态的、金属态的、纯能态的；碳基的，硅基的，硼基的.....都在这个巨大的世界中创造着自己的绚烂文明、书写着自己的英雄史诗。而当我们回到比例尺设定的那个位于城楼上巴掌的小点...

再来看一眼这个小点。就在这里。这就是家。这就是我们。在这个小点上，每一个你爱的人，每一个你认识的人，每一个你听说过的人，每一个人，无论他是谁，都曾经生活过。我们所有的快乐和挣扎，数以千万自傲的宗教信仰、思想体系观念意识，以及经济学原理教义，每一个猎人或征服者，每一位勇士或是懦夫，每一个文明的缔造者或摧毁者，每一位君王或农夫，每一对陷入爱河的年轻伴侣，每一位为人父母者，所有充满希望的小孩，发明家或探险者，每一位灵魂导师，每一个腐败的政客，每一个所谓的‘超级巨星’，每一个所谓的‘最伟大领袖’，每一位我们人类史上的圣人或是罪人，每一个自以为是的你我他，每一个你所见的、不曾见的、梦中的……我们的一切一切，全部都存在于这样一粒悬浮在一束阳光中的尘埃上

从另外一个方向，恰恰是因为其的无限空旷，让星际交流变得不可能，光速是相对论速度的极限，但是真的太慢了。在这个比例尺下，光速只有3微米/s！连一只蜗牛的速度都是他的300倍！我不知道自然界有什么样的生物能够慢得如此惊世骇俗，五个小时的时间才能走过拇指大的距离，寒来暑往一年的时间才能慢吞吞地越过城楼前面的长安街。

星际航行因为恒星间的空旷让我们绝望，实际上，虽然银河繁星璀璨，但是平均密度比奥尔特云还要稀薄。

请看下面关于星际旅行的描写，是描写警察在星际追捕罪犯：
……警务飞船紧咬着走私飞船，掠过了一个又一个星球。每经过一个星球时，走私飞船船长都仔细观察星球的地貌，他急切地想找到一个地形合适的星球降落，同追击者决战，但一直找不到，只好回头看看越逼越近的警务飞船，咬紧牙关继续向前飞去……

以上情节都是来自国内的科幻小说。给读者的印象是，宇宙比警匪片中的小镇子大不了多少，太空中的星球也就象小镇路边的一家家商店似的；后者使读者觉得，以光速级速度飞行的恒星际飞船的行为同大街上的出租车差不多。在这样的描写中，作者对宇宙的宏大是麻木不仁的。

一艘巨大的宇宙飞船，在漆黑寂静的太空中飞向一个遥远的目标，它要用两千年时间加速，保持巡航速度三千年，再用两千年减速。飞船本身则经历了上百个“王朝更迭”。飞船上一代又一代的人出生又死去，灿烂的文化兴衰在这个小小的世界被重演；飞船的出发史已经如三皇五帝般成为遥远的传说，地球已经成了上古时代虚无飘渺的梦幻，飞船上考古学家们从飞船沧海桑田的历史遗迹中已找不到可以证实它存在证据。那遥远的目的地也成了一个流传了几千年的神话，成了一个宗教的幻影。

而更令人窒息的是，这艘历经人类文明史的超级飞船的目的地是天狼星，对我们而言，这个距离在银河系中也仅仅是家门口般的存在

这就是我们的宇宙细思恐极的地方，我们完全无法理解造物主设置这样一个惨绝人寰惊世骇俗石破天惊惊天泣地波澜壮阔的硕大空间意义何在。但文明间的交流也恰恰因为光速的限制变得不可能，这也许也是费米悖论的另一个解释吧。

3. 本星系团

天哪，银河系外还有星系。就算缩小了比例尺，这也是天文单位般的巨大存在，对于人类大脑的理解而言，已经可以说和我们毫无关系了。如果从理论上无法突破光速的桎梏，恒星系间天文单位的寂寥空间就是人类永远的结界。