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宇宙5種可能結局:4種毀滅不復存在,唯有1種涅槃重生

對暗物質本質的理解,能夠幫助我們更好地瞭解宇宙最終的命運。(圖片來源:SCENIC REFLECTIONS WALLPAPER)

宇宙的最終結局將會是什麼?儘管沒有人能夠親眼見證那一刻,但物理學家通過對宇宙的觀測,給出了三種經典假說:大擠壓、大凍結,以及兩者的臨界狀態。

但這並不是故事的全部。當物理學家發現,暗能量可能才是主導宇宙膨脹的主要成分,宇宙可能的結局也出現了轉折……

  觀察我們所處的宇宙,我們很容易對它產生敬畏之情。夜空中能夠看到的恆星,只是銀河系所有天體中的一小部分——大概是數千億中的幾千顆。銀河系本身也只是可觀測宇宙(直徑約為460億光年)萬億星系中孤獨的一個。

這一切都要從138億年前的大爆炸說起。那是我們認識宇宙的開端,在已知物理定律的前提下,我們可以從它出發,解釋宇宙如何演化成現在的模樣。現在宇宙仍然在膨脹,形成新恆星,不斷演化。但是宇宙的生命會有盡頭嗎?

標準燭光和標準尺是天文學家用於測量不同時間/距離的膨脹速率的兩種手段。基基於標準燭光法測得的宇宙膨脹速率(哈勃常數)是73 km/s/Mpc,而標準尺方法測得的是67 km/s/Mpc。(圖片來源:NASA / JPL-CALTECH)

  很長一段時間內,根據廣義相對論的簡單推導以及宇宙在膨脹這一條件,科學家普遍認為宇宙有3種可能的結局。一方面,物質和能量產生的引力將所有東西拉近;另一方面,我們的宇宙存在初始膨脹速率,其作用是將所有東西分離。

 遵循相對論的宇宙是被各向同性、均勻分佈的物質和輻射填充的,不是靜態的。這樣的宇宙一定會膨脹或者收縮,這取決於宇宙中的內容物及其含量。(圖片來源:E。 SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

  大爆炸是引力和膨脹速率相互角逐的起點。哪一方會在宇宙中佔據優勢?根據傳統的觀點,這個問題的答案將決定宇宙的命運。以下是宇宙可能的命運:

  1、擠壓:宇宙最終坍縮回去雖然最初的膨脹很迅速,但是大量物質和輻射將所有的東西都拉回到一起。如果宇宙中的總物質和能量達到一定的值,那麼宇宙在膨脹到最大值後,會轉為收縮狀態,宇宙最終將會坍縮。

  2、宇宙永遠膨脹下去,最終以“大凍結”結尾所有初始條件的都和上面的討論相同,除了宇宙中總的物質和能量不足以逆轉膨脹。宇宙會永遠膨脹下去,膨脹速率會一直下降,但始終大於零。

  3、宇宙的膨脹速率趨近於零。這就像是上面兩種情況的臨界點。如果多了一個質子,宇宙就會坍縮;少一個質子,宇宙就會永遠膨脹下去。在這樣的臨界狀態中,宇宙也是永遠膨脹的,但卻是以理論上的最低速率膨脹。

  為了知道哪一種情況是正確的,我們只需要去測量宇宙的是如何膨脹的,以及膨脹速率是如何隨著時間改變的。物理會決定剩下的結局。

  這是現代天體物理最重要的目標之一。通過測量宇宙的膨脹速率,我們得知了如今宇宙結構的變化方式;而測量膨脹速率隨時間的變化,我們就能知道宇宙結構的演變歷史。

  將這兩塊信息拼接起來,能夠讓我們瞭解宇宙是由什麼構成的,以及宇宙各組分的比例。

  根據目前的測量結果,我們已經能夠確定宇宙是由0.01%的輻射、0.1%的中微子、4.9%的普通物質、27%的暗物質和68%的暗能量構成。宇宙構成這個問題最早在上個世紀20年代被提出,在上個世紀90年代有了意想不到的答案。

 不斷膨脹的宇宙中,充滿了星系和我們能夠觀測到的複雜結構。它由高溫、緻密、均勻的初始狀態演化而來。在已知的物質和輻射之外,一定還存在著某種新的能量形式,驅動著宇宙的加速膨脹。(圖片來源:C。 FAUCHER-GIGUÈRE, A。 LIDZ, AND L。 HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

  如果是暗能量主導宇宙的膨脹,這對於宇宙的命運又意味著什麼?取決於暗能量如何或者是否隨著時間演化,有以下5種可能的情況。

  1、暗能量是一種主導宇宙膨脹的宇宙學常數。根據現有的數據,這是目前認同度較高的觀點。宇宙膨脹時,物質的密度會降低;而暗能量代表的是空間自有的能量。因此,宇宙膨脹時,暗能量密度保持不變,使得膨脹速率永遠是正值,這會導致宇宙指數膨脹。

如果暗能量隨時間增加,但是保持負值,大撕裂就會發生。(圖片來源:JEREMY TEAFORD/VANDERBILT UNIVERSITY)

  2、暗能量是動態的,隨著時間會變得越來越強。暗能量看上去是一種新的能量形式,它屬於空間自身的性質,這說明它的能量密度應該是一個常數。但是它也可能隨著時間改變。一種可能增強,這會導致宇宙膨脹速率隨著時間加速。

  遙遠的天體不僅是在加速遠離我們,它們遠離的加速度也會越來越大。更糟糕的是,那些受萬有引力束縛在一起的天體,比如星系團、獨立的星系、太陽系甚至原子,都會在某一刻因為暗能量增強而分離。在宇宙的最後一幕,亞原子粒子和空間本身會被撕裂。這種“大撕裂”是第二種可能。

  3、暗能量隨著時間衰減。暗能量還可能怎麼改變?除去增強,它也可能減弱。如果它降到了零,這可能會回到最初討論的可能性(大凍結)上去。宇宙會繼續膨脹,但是沒有足夠的物質和其他形式的能量讓它坍縮回去。

  如果暗能量衰減到零之後繼續下降、變成了負值,那麼,它會指向另一種可能:大擠壓。宇宙會被空間自有的能量填滿,由於數值變為負,會引起相反的效應,導致空間坍縮。雖然這形成一景象所需的時間尺度比宇宙目前的年齡大很多,但它還是會發生。

暗能量的不同模型會演化出不同的結果。(圖片來源:NASA/CXC/M.WEISS)

  4、暗能量可能轉變為其他形式的能量,使宇宙重生。如果暗能量不會減少,保持常數或者甚至增加,還有另一種可能性:暗能量不會永遠保持這種形式;相反,暗能量可能會轉變成物質或者輻射。這與宇宙暴脹結束時的情形相似。

  如果暗能量能夠在那個節點維持常數,它會製造出一個低溫、低密度版本的大爆炸模型。在這種情況下,只有中微子和光子能夠自我生成。但如果暗能量增強,它可能會使宇宙變為類似暴脹的狀態,緊隨其後的是一次真正的熱大爆炸。這是使宇宙重生的最直接的辦法之一,新的循環宇宙有機會像我們的宇宙一樣演化。

最簡單的暴脹模型是我們從山頂出發,這時暴漲開始;最後經過下坡到達谷底,這時暴漲結束,引發熱大爆炸。如果在谷底的值不為零,仍然是一個正數,則可能會量子隧穿到能量更低的狀態上,這樣會給我們如今的宇宙帶來嚴重後果。(圖片來源:E。 SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

  5、暗能量與真空零點能相關,可能衰變,從而摧毀我們的宇宙。這是宇宙所有可能結局中最具破壞性的一種。如果暗能量對應的真空不是能量最低的真正真空,而是早期宇宙因對稱性破缺而進入的一個偽真空狀態,會有何後果?

  如果是這樣,量子隧穿效應使得現在的宇宙進入一個能量更低的狀態上,改變物理定律並摧毀如今所有的粒子。如果量子真空不是能量最低的穩定狀態,無論衰變在哪發生,都會從一個點出發,以光速傳播,摧毀所經之處的一切事物。當信號傳到我們這裡,隨之而來的也是即刻的毀滅。

 在景深相同,時長相等的情況下,WFIRST望遠鏡和哈勃望遠鏡(左上)所能看到的天區對比。WFIRST能觀測的廣大區域讓我們捕捉到更多遙遠的超新星,從而進一步探尋暗能量的本質。(圖片來源:NASA / GODDARD / WFIRST)

  雖然我們不知道,在這些可能的宇宙結局中,哪一個才是真的,但現有的數據都和第一種可能性相吻合:暗能量是一個常數。我們對宇宙演化歷程的觀測,特別是宇宙微波背景輻射和宇宙大尺度結構的觀測,可以限制暗能量的變化範圍。

  隨著NASA的大視場紅外巡天望遠鏡(WFIRST)計劃在2020發射升空,我們可以將暗能量的變化範圍縮小至目前的十分之一。如果暗能量使得宇宙結局不同於現有模型,天文望遠鏡將會是揭示宇宙真相的最佳武器。直到那時,我們將考慮到所有的可能性。而剩下的將由科學決定。

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