宇宙的最终结局是什么:4死1生

新浪
2019-01-17

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新浪2019-01-17

对暗物质本质的理解,能够帮助我们更好地了解宇宙最终的命运。对暗物质本质的理解,能够帮助我们更好地了解宇宙最终的命运。

宇宙的最终结局将会是什么?尽管没有人能够亲眼见证那一刻,但物理学家通过对宇宙的观测,给出了三种经典假说:大挤压、大冻结,以及两者的临界状态。

但这并不是故事的全部。当物理学家发现,暗能量可能才是主导宇宙膨胀的主要成分,宇宙可能的结局也出现了转折……

观察我们所处的宇宙,我们很容易对它产生敬畏之情。夜空中能够看到的恒星,只是银河系所有天体中的一小部分——大概是数千亿中的几千颗。银河系本身也只是可观测宇宙(直径约为460亿光年)万亿星系中孤独的一个。

这一切都要从138亿年前的大爆炸说起。那是我们认识宇宙的开端,在已知物理定律的前提下,我们可以从它出发,解释宇宙如何演化成现在的模样。现在宇宙仍然在膨胀,形成新恒星,不断演化。但是宇宙的生命会有尽头吗?

标准烛光和标准尺是天文学家用于测量不同时间/距离的膨胀速率的两种手段。基基于标准烛光法测得的宇宙膨胀速率(哈勃常数)是73 km/s/Mpc,而标准尺方法测得的是67 km/s/Mpc。标准烛光和标准尺是天文学家用于测量不同时间/距离的膨胀速率的两种手段。基基于标准烛光法测得的宇宙膨胀速率(哈勃常数)是73 km/s/Mpc,而标准尺方法测得的是67 km/s/Mpc。

很长一段时间内,根据广义相对论的简单推导以及宇宙在膨胀这一条件,科学家普遍认为宇宙有3种可能的结局。一方面,物质和能量产生的引力将所有东西拉近;另一方面,我们的宇宙存在初始膨胀速率,其作用是将所有东西分离。

 遵循相对论的宇宙是被各向同性、均匀分布的物质和辐射填充的,不是静态的。这样的宇宙一定会膨胀或者收缩,这取决于宇宙中的内容物及其含量。 遵循相对论的宇宙是被各向同性、均匀分布的物质和辐射填充的,不是静态的。这样的宇宙一定会膨胀或者收缩,这取决于宇宙中的内容物及其含量。

大爆炸是引力和膨胀速率相互角逐的起点。哪一方会在宇宙中占据优势?根据传统的观点,这个问题的答案将决定宇宙的命运。以下是宇宙可能的命运:

1、大挤压:宇宙最终坍缩回去。虽然最初的膨胀很迅速,但是大量物质和辐射将所有的东西都拉回到一起。如果宇宙中的总物质和能量达到一定的值,那么宇宙在膨胀到最大值后,会转为收缩状态,宇宙最终将会坍缩。

2、宇宙永远膨胀下去,最终以“大冻结”结尾。所有初始条件的都和上面的讨论相同,除了宇宙中总的物质和能量不足以逆转膨胀。宇宙会永远膨胀下去,膨胀速率会一直下降,但始终大于零。

3、宇宙的膨胀速率趋近于零。这就像是上面两种情况的临界点。如果多了一个质子,宇宙就会坍缩;少一个质子,宇宙就会永远膨胀下去。在这样的临界状态中,宇宙也是永远膨胀的,但却是以理论上的最低速率膨胀。

为了知道哪一种情况是正确的,我们只需要去测量宇宙的是如何膨胀的,以及膨胀速率是如何随着时间改变的。物理会决定剩下的结局。

这是现代天体物理最重要的目标之一。通过测量宇宙的膨胀速率,我们得知了如今宇宙结构的变化方式;而测量膨胀速率随时间的变化,我们就能知道宇宙结构的演变历史。

将这两块信息拼接起来,能够让我们了解宇宙是由什么构成的,以及宇宙各组分的比例。

根据目前的测量结果,我们已经能够确定宇宙是由0.01%的辐射、0.1%的中微子、4.9%的普通物质、27%的暗物质和68%的暗能量构成。宇宙构成这个问题最早在上个世纪20年代被提出,在上个世纪90年代有了意想不到的答案。

 不断膨胀的宇宙中,充满了星系和我们能够观测到的复杂结构。它由高温、致密、均匀的初始状态演化而来。在已知的物质和辐射之外,一定还存在着某种新的能量形式,驱动着宇宙的加速膨胀。(图片来源:C。 FAUCHER-GIGUÈRE, A。 LIDZ, AND L。 HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47)) 不断膨胀的宇宙中,充满了星系和我们能够观测到的复杂结构。它由高温、致密、均匀的初始状态演化而来。在已知的物质和辐射之外,一定还存在着某种新的能量形式,驱动着宇宙的加速膨胀。)

如果是暗能量主导宇宙的膨胀,这对于宇宙的命运又意味着什么?取决于暗能量如何或者是否随着时间演化,有以下5种可能的情况。

1、暗能量是一种主导宇宙膨胀的宇宙学常数。根据现有的数据,这是目前认同度较高的观点。宇宙膨胀时,物质的密度会降低;而暗能量代表的是空间自有的能量。因此,宇宙膨胀时,暗能量密度保持不变,使得膨胀速率永远是正值,这会导致宇宙指数膨胀。

如果暗能量随时间增加,但是保持负值,大撕裂就会发生。如果暗能量随时间增加,但是保持负值,大撕裂就会发生。

2、暗能量是动态的,随着时间会变得越来越强。暗能量看上去是一种新的能量形式,它属于空间自身的性质,这说明它的能量密度应该是一个常数。但是它也可能随着时间改变。一种可能增强,这会导致宇宙膨胀速率随着时间加速。

遥远的天体不仅是在加速远离我们,它们远离的加速度也会越来越大。更糟糕的是,那些受万有引力束缚在一起的天体,比如星系团、独立的星系、太阳系甚至原子,都会在某一刻因为暗能量增强而分离。在宇宙的最后一幕,亚原子粒子和空间本身会被撕裂。这种“大撕裂”是第二种可能。

3、暗能量随着时间衰减。暗能量还可能怎么改变?除去增强,它也可能减弱。如果它降到了零,这可能会回到最初讨论的可能性(大冻结)上去。宇宙会继续膨胀,但是没有足够的物质和其他形式的能量让它坍缩回去。

如果暗能量衰减到零之后继续下降、变成了负值,那么,它会指向另一种可能:大挤压。宇宙会被空间自有的能量填满,由于数值变为负,会引起相反的效应,导致空间坍缩。虽然这形成一景象所需的时间尺度比宇宙目前的年龄大很多,但它还是会发生。

暗能量的不同模型会演化出不同的结果。暗能量的不同模型会演化出不同的结果。

4、暗能量可能转变为其他形式的能量,使宇宙重生。如果暗能量不会减少,保持常数或者甚至增加,还有另一种可能性:暗能量不会永远保持这种形式;相反,暗能量可能会转变成物质或者辐射。这与宇宙暴胀结束时的情形相似。

如果暗能量能够在那个节点维持常数,它会制造出一个低温、低密度版本的大爆炸模型。在这种情况下,只有中微子和光子能够自我生成。但如果暗能量增强,它可能会使宇宙变为类似暴胀的状态,紧随其后的是一次真正的热大爆炸。这是使宇宙重生的最直接的办法之一,新的循环宇宙有机会像我们的宇宙一样演化。

最简单的暴胀模型是我们从山顶出发,这时暴涨开始;最后经过下坡到达谷底,这时暴涨结束,引发热大爆炸。如果在谷底的值不为零,仍然是一个正数,则可能会量子隧穿到能量更低的状态上,这样会给我们如今的宇宙带来严重后果。最简单的暴胀模型是我们从山顶出发,这时暴涨开始;最后经过下坡到达谷底,这时暴涨结束,引发热大爆炸。如果在谷底的值不为零,仍然是一个正数,则可能会量子隧穿到能量更低的状态上,这样会给我们如今的宇宙带来严重后果。

5、暗能量与真空零点能相关,可能衰变,从而摧毁我们的宇宙。这是宇宙所有可能结局中最具破坏性的一种。如果暗能量对应的真空不是能量最低的真正真空,而是早期宇宙因对称性破缺而进入的一个伪真空状态,会有何后果?

如果是这样,量子隧穿效应使得现在的宇宙进入一个能量更低的状态上,改变物理定律并摧毁如今所有的粒子。如果量子真空不是能量最低的稳定状态,无论衰变在哪发生,都会从一个点出发,以光速传播,摧毁所经之处的一切事物。当信号传到我们这里,随之而来的也是即刻的毁灭。

 在景深相同,时长相等的情况下,WFIRST望远镜和哈勃望远镜(左上)所能看到的天区对比。WFIRST能观测的广大区域让我们捕捉到更多遥远的超新星,从而进一步探寻暗能量的本质。 在景深相同,时长相等的情况下,WFIRST望远镜和哈勃望远镜(左上)所能看到的天区对比。WFIRST能观测的广大区域让我们捕捉到更多遥远的超新星,从而进一步探寻暗能量的本质。

虽然我们不知道,在这些可能的宇宙结局中,哪一个才是真的,但现有的数据都和第一种可能性相吻合:暗能量是一个常数。我们对宇宙演化历程的观测,特别是宇宙微波背景辐射和宇宙大尺度结构的观测,可以限制暗能量的变化范围。

随着NASA的大视场红外巡天望远镜(WFIRST)计划在2020发射升空,我们可以将暗能量的变化范围缩小至目前的十分之一。如果暗能量使得宇宙结局不同于现有模型,天文望远镜将会是揭示宇宙真相的最佳武器。直到那时,我们将考虑到所有的可能性。而剩下的将由科学决定。

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