宇宙的盡頭「是什麼」?三種情況,全指向了同一個結果

宇宙會如何終結?數千年來人類一直在思考這個問題,無論是從哲學層面去探尋未來的可能性, 還是利用數學的方式在公式中尋找 答案但至今仍沒有最終的解決答案。

今天我們所認識了解的主流宇宙模型來自于大爆炸理論, 大部分的天文學研究都是建立在此模型上。

美麗的宇宙

近年來科學家認為, 宇宙也許會以一種熱寂的方式完成自己的終結。不過, 這樣的假設不是宇宙結局中的最終選擇,仍然還有其他兩種情況的可能性并指向同一結果。

熱寂結局是怎樣的?宇宙將在未來發生怎樣的變化?為何它會有多種結局?

宇宙暴脹

本文接下來將會從今天的天文學研究中向大家解答這些問題, 宇宙的盡頭是什麼?這三種情況是如何指向同一個結果的?

宇宙究竟是什麼樣子?

在近代物理發展之前,人們對于宇宙的了解僅限于肉眼的觀察上,許多研究最終都會尋求一種調和。而這種調和多是 以哲學層面或者宗教層面去完成, 事件本質和真相很難通過簡單的科學手段完成觀察。

星系的種類

不過進入 18世紀后期 ,隨著電磁力學的發展, 傳統物理研究受到了限制和阻礙,科學家發現宇宙中的不少問題很難再以經典物理上去解釋, 必須要有一個新的解決方案

1921年,愛因斯坦榮獲諾貝爾物理學獎之后的官方肖像

可以說愛因斯坦的出現打破了這一僵局,他在1915年的學術研究討論大會上發表了自己關于 電磁力學 的看法,同時拿出了自己的 廣義相對論 。這使得科學家重新有了可行的方式去探討宇宙運動,甚至尋求宇宙最終的命運。 廣義相對論方程存在的幾種可能的解 ,每一種解都暗示著宇宙可能出現的終極命運。

黑洞附近的結構示意圖

在廣義相對論的預測下,任何物體坍縮超過某個點就會形成一個 黑洞,而這個黑洞內部便會出現一個奇點,后來的研究證明,奇點的本質是大爆炸。

整個研究過程非常曲折,就連 愛因斯坦 本人也一樣。即便在相對論發表后,亞歷山大·弗里德曼在此后的研究中提出 了包含運動物質的膨脹宇宙概念 ,并且還與愛因斯坦有過交流。但愛因斯坦不愿意相信這個結果, 而是去努力地修改自己的方程, 以確保牛頓時代人們所相信的 靜態永恒宇宙

勒梅特與愛因斯坦

早在哈勃的研究發現以前, 喬治·勒梅特 就對愛因斯坦的廣義相對論進行著大量的計算研究。勒梅特在研究后認為, 宇宙是正在膨脹的。 由于他的研究報告發表在當地,幾乎沒有比利時以外的天文學家關注, 所以該相關研究在當時并沒有引起大多數人的注意。

宇宙持續不停地膨脹,現更加速膨脹

在愛因斯坦看來,勒梅特的研究計算并沒有什麼問題,但他拒絕 宇宙膨脹的假說。直到勒梅特與愛因斯坦在索爾維會議上的第四次交流,這一次勒梅特在會議上詳細地闡述了宇宙的變化, 并指出 宇宙射線可能是最初「爆炸」留下來的痕跡,愛因斯坦這才真正的接受了大爆炸假說。

地球周邊的宇宙射線

后來愛因斯坦才坦言到,自己曾經為了尋求牛頓時代 靜態宇宙的廣義相對論方程的解,所添加的宇宙常數是他一生中所犯的最大的錯誤。

隨著后來物理研究的深入,天文學也在不斷地進行更新, 宇宙模型的建設也越來越接近我們今天所熟知的樣子

宇宙大爆炸模型

新研究,新發現

今天我們了解到的宇宙基本上是 廣義相對論 研究下的結果,宇宙的膨脹不像日常生活中看到的那樣是直觀的爆炸或者膨脹。這個概念必須抽象地去理解,它是宇宙的一個屬性, 發生在整個宇宙中,而不是宇宙的一部分

因此人們也無法從內部觀察到膨脹的具體過程,同時 科學家相信也沒有所謂的外部可以進行觀察。

想象中的宇宙大爆炸

弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃克方程的度量膨脹建模是 廣義相對論 的精確解, 它描述了一個同質的、各向同性的、膨脹的宇宙。 科學家們這才利用該方程完成了[大尺度]空間上的宇宙模型建設。

根據后來的 暴脹理論,宇宙在大爆炸之后的一瞬間,突然開始膨脹, 其距離至少膨脹了10倍的三個維度。這相當于把長度為1納米的物體瞬間擴大至10.6光年長,在此后的時間里,這種擴張仍在繼續,并且還在不斷加速。

宇宙組成成分

但是科學家并不知道這種膨脹究竟是如何持續下去的,因此在后來的研究中, 天文學家引入了 暗能量的概念。目前的科學界認為, 宇宙的最終命運取決于它的整體形狀,以及它所包含的暗能量多少、暗能量密度如何響應宇宙膨脹狀態。

最近的研究顯示,從大爆炸后75億年開始, 宇宙的膨脹速率可能一直在增加,這與開放宇宙理論相符合。不過, 威爾金森微波各向異性探測器的測量表明,宇宙的形態不止一種。

暗能量讓宇宙加速膨脹

「多元宇宙」的結局

先來看看 開放宇宙 ,這種形態下的宇宙空間幾何形狀是開放的, 就像馬鞍表面那樣負彎曲 ,三角形的內角和小于180°。并且不相交的線永遠不等距,它們有一個距離最小的點, 否則便會分開,這種宇宙的幾何形狀是 雙曲線

開放宇宙即便沒有暗能量,負彎曲形態下的宇宙也會永遠膨脹, 引力對膨脹的制約作用可以忽略不計。 如果有暗能量的存在,膨脹不僅會繼續,而且還會加速。這種狀態下的宇宙,它所面臨的終極命運要麼是普遍的 熱寂或是大凍結。

宇宙的三種可能的幾何形狀

如何去理解大凍結和熱寂呢?我們可以先來看看熱寂,這其實是一種 熱力學定律 下的終結,宇宙進入了最大熵的狀態。一切都是均勻的,沒有梯度, 所有一切運動都停止 ,宇宙最終的溫度達到了最小值。

而大凍結是宇宙在持續膨脹中漸漸地接近絕對零度的情景,宇宙中的所有天體都會因燃料耗盡,包括 黑洞的蒸發,隨著時間的推移,霍金輻射也會消失。

霍金輻射

由暗能量引起的加速度最終會變得異常強大, 以至于它完全壓制了引力、電磁力和強結合力的影響 。開放宇宙還可能出現大撕裂,當前的哈勃常數定義了一個宇宙加速度,星系之間的重力結合會因 這種宇宙加速度變化增加它們之間的空間

哈勃常數 將會穩步增加到無窮大,最終導致宇宙中的所有物質都被分解成未結合的 基本粒子、輻射,然后宇宙成為一個有效的奇點。

宇宙是由一個奇點膨脹到現在的狀態

如果宇宙常數為負的話,對應于負的能量密度和正壓,那麼宇宙的終極命運就會導致 開放的宇宙重新坍縮到「大緊縮」狀態,也就是 「封閉宇宙」。

封閉宇宙中,空間的幾何形狀會像球面一樣是完全封閉的。 三角形的內角和超過180°而且沒有平行線,所有的線條最終都會相遇。

浩瀚的宇宙

該宇宙所要面對終極命運是大緊縮,這種結局和最初的大爆炸完全相反。該理論假設下, 宇宙的平均密度會阻止宇宙的膨脹,具體結果未知。科學家假設了一個簡單的可能性,那就是在這最后,宇宙會坍縮為一個無量綱的奇點, 回到最終的尺度。

這種情況允許宇宙回到大爆炸之前,并會創建一個循環模型,這個模型也被稱作 「震蕩宇宙」。該循環模型下的宇宙可以由無限序列的有限宇宙組成,每個有限宇宙都以大緊縮結束。

熵增

但問題是這樣的宇宙不符合 熱力學第二定律,因為熵的積累會在一個又一個震蕩中積累,最終宇宙將走向熱寂。由于目前并沒有科學證據證明宇宙是封閉的, 因此科學家基本上放棄了這個想法。

最后是 平面宇宙 ,這也是當前宇宙模型中最令人接受和信服的一個宇宙,不少科學家都認為宇宙是「平坦」的,但不要從一般意義上的「平坦」去做理解, 該「平坦」被解釋為平行線保持平行。

絢麗的宇宙

如果宇宙的平均密度正好等于臨界密度,即Ω=1,那麼就會出現平坦宇宙。這就像歐幾里得幾何一樣,三角形內角和為180°,平行線連續保持相同的距離。 根據威爾金森微波各向異性探測得到的測量結果證實,宇宙在0.4%的誤差范圍內是平坦的。

暗能量

如果沒有 暗能量的影響,平坦的宇宙會永遠地膨脹下去,但會在不斷減速的速度下膨脹,最后膨脹速度趨近于零。 如果有暗能量的作用,宇宙膨脹速度會因引力的作用出現減慢,但隨著膨脹中的引力作用減弱,最終速度增加。 平坦宇宙的終極命運最終會與開放宇宙的結局相同。

宇宙膨脹想象圖

所以綜合上述所有存在的可能,我們可以看到,這三種情況最終都證明宇宙會消亡。盡管消亡的方式各有不同,并且有可能會出現反轉, 但無一例外都會徹底消失或是完全停止

神奇的宇宙

雖然 天文學的研究在不斷地發展,但是我們仍然對 宇宙知之甚少, 也許在未來這些結果都可能會被改變。 盡管這些結局看起來都很悲觀,但對于人類來講,我們可以去追尋宇宙中的任何一種可能, 然后去試著改變自身的存在

用戶評論