宇宙壽命至少還有1400億年?宇宙的終極命運將會怎樣|大爆炸|宇宙|宇宙膨脹

2019-02-13 00:07:21

來源:科技日報

有媒體報導,一個國際研究團隊近日發表論文稱,他們從暗物質和暗能量的角度分析後得出結論,宇宙的壽命至少還有1400億年。目前,宇宙起源已經有公認的理論,認為宇宙起源於約138億年前的大爆炸,隨後開始膨脹演化。但關於宇宙如何走向終結,理論假說卻多種多樣。

正如有人說:“我不想知道我是怎么來的,我就想知道我是怎么沒的。”對於宇宙究竟會怎么走向終結,科學家們苦苦探尋,提出了“大坍縮”“大撕裂”“大凍結”“大吞噬”等各種假說。

“大撕裂”假說

暗能量不斷增加使宇宙分崩離析

“宇宙的最終命運(或稱為宇宙終極命運)是物理宇宙學研究的重要問題之一,目前看來它主要依賴於宇宙的空間幾何結構以及暗能量的性質,宇宙終極命運的假說主要包括‘大撕裂’‘大凍結’和‘大坍縮’。”10月24日,中國科學院國家天文台副研究員陳雲在接受科技日報記者採訪時說。

說起宇宙的空間結構,陳雲介紹,其包括平直、閉合和開放3種可能性,可以分別類比於平面、球面和馬鞍面。而暗能量則是宇宙中均勻瀰漫的一種克服物質(包括普通物質和暗物質)所產生引力的“負引力”。暗能量的性質通常用它的狀態方程(就是壓強與密度之比)來刻畫。不同的暗能量模型下暗能量的狀態方程不同。有些模型下暗能量的狀態方程是不隨時間變化的常數,而這個常數可能等於-1,也可能大於或小於-1;還有些模型下暗能量狀態方程是隨時間變化的,就是說狀態方程可能由大於-1隨時間演變為小於-1,也有可能由小於-1變為大於-1。暗能量狀態方程等於-1時它的密度是不隨時間演化的常數,大於-1時密度會隨著時間的增加而減小,而小於-1時密度會隨著時間的增加而增大。

由此,陳雲表示,“大撕裂”假說認為如果暗能量是狀態方程小於-1的“幽靈暗能量”,那么它的密度就會隨著時間增加而增加,從而導致宇宙膨脹的速度越來越快,那么隨著宇宙的不斷膨脹,宇宙中的所有物質(甚至時空本身)最終都會被逐漸撕碎,瓦解為不受束縛的基本粒子和輻射。

暗能量的確是宇宙間最神秘、最豐富的能量形式之一,約占宇宙68.3%的質能,但物理學家真的對它了解不多。上世紀90年代發現暗能量之前,物理學家認為因大爆炸而產生的宇宙膨脹正在減緩甚至停止。此後,通過對超新星的觀測,天體物理學家們才意識到其實宇宙膨脹正在加速,並且有研究人員對110億年前形成的星系進行測繪,發現宇宙正以過山車的速度膨脹。

朴茨茅斯大學的馬特·皮爾博士解釋說,年輕時期宇宙的生長因引力的影響變緩,但在過去50億年時間裡,宇宙卻開始快速膨脹,原因就在於一種神秘的力——暗能量。如果暗能量不斷增強且持續擴散,就會推動星系相互分離,緊接著推動行星遠離恆星,並造成一系列類似變化。最終,暗能量會強大到把原子核從原子中撕扯出來,並撕裂宇宙間存在的一切,使宇宙分崩離析。

“大凍結”假說

宇宙溫度趨近絕對零度生命不復存在

另一種比較典型的宇宙終結假說就是“大凍結”了。

陳雲指出,“大凍結”也被稱為“熱寂”(heatdeath)。這種假說認為宇宙最終會演化到一種沒有熱力學自由能的狀態,也就是說宇宙達到一種熱力學平衡(即具有最大熵)的狀態,同時宇宙溫度也趨近(但並未達到)絕對零度,從而任何巨觀物理過程和生命都不復存在。在暗能量存在的情況下,不管宇宙空間幾何結構是什麼樣的,“大凍結”都有可能發生。就算沒有暗能量,如果宇宙空間幾何結構是平直或開放的,“大凍結”也可能出現。

“大凍結”假說認為在宇宙年齡為1萬億至100萬億年期間恆星會正常形成,但隨後恆星形成所需的氣體逐漸被消耗殆盡,從而使恆星停止發光,整個宇宙將逐漸陷入黑暗之中,隨後黑洞將主導整個宇宙,但是接下來黑洞自身也會因為霍金輻射(指來自黑洞的光和粒子輻射)而消失,然而再接下來宇宙是一直處於這種“大凍結”的狀態,還是走向其他狀態,還不得而知。

有科學家表示,人們在煎蛋時,將一枚雞蛋打碎放入煎鍋,雞蛋將無法恢復之前的形狀。同樣宇宙也是這樣,伴隨著不斷進化——熾熱氣體逐漸形成恆星、行星,孕育人類和各種生命,熵(物理概念,用於度量無序程度)也在逐漸增加。而且一旦宇宙走向無序,就很難停止或反轉,就如食物會腐爛、金屬會生鏽、人類會消亡一樣。熵不斷地增加,當宇宙中的紊亂達到最大程度時,“大凍結”就會來臨。一旦熵達到它的最大值,所有能量將被均勻地分布在整個宇宙內,但任何可重複使用的能量或熱量將不復存在,這意味著消耗能量的過程將不再繼續。從根本上說,宇宙間的一切終將停止運轉。

陳雲說:“由於暗能量的本質屬性尚且不知,因此,宇宙未來的命運可能是‘大撕裂’,也可能是‘大凍結’,同時也有可能是先發生‘大凍結’再進入‘大撕裂’。”

“大坍縮”假說

宇宙膨脹速度不斷變慢從而發生坍縮

一些科學家認為,如果宇宙內的物質隨著時間推移不斷減少,大坍縮便會出現,導致引力成為占據支配地位的力。引力導致宇宙收縮,其結果是恆星、星系和行星相互撞擊,宇宙發生塌陷,這就是“大坍縮”假說。理論物理學家表示,宇宙內的一些區域已開始塌陷,這種塌陷將最終吞噬宇宙其他區域。

在陳雲看來,“大坍縮”假說認為由於物質的引力作用宇宙的膨脹速度會不斷變慢,從而終將停止膨脹並發生坍縮。然而在坍縮之後又將發生什麼,尚不能確定;其中一種可能性就是宇宙坍縮到它的初始狀態並再次發生大爆炸,從而使得宇宙處於“大爆炸”到“大坍縮”再到“大爆炸”這樣一種循環的狀態。不過最近的宇宙學觀測都表明宇宙的膨脹速度不僅不會變慢,而且由於暗能量的作用膨脹速度在不斷加快。簡而言之,目前的觀測數據不支持“大坍縮”假說。

“此外,關於宇宙終結還有‘大吞噬’假說,我認為是沒有科學依據的純假想。”陳雲說,“大吞噬”假說認為宇宙中的黑洞會逐漸吞噬掉所有天體和物質,並發生大黑洞吞噬小黑洞,最終整個宇宙只剩下一個超級大黑洞。這種假想不可信的理由很多,其中最主要的有3條:一黑洞只會吞噬掉進它視界內的物質,視界外的物質是不會被吞噬掉的;二黑洞並不是只進不出的,比如,星系中心的黑洞在吞噬物質的過程中,通常也會產生沿轉軸方向向外的噴流,噴出來的物質又為產生新的恆星和星系提供了原料;三在暗能量主導的時期,由於暗能量的負壓作用,相距較遠的黑洞是不會發生碰撞的,也就是不會出現互相吞噬的情況。

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