LIII:宇宙的尽头丨大结局

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收藏于 : 2021-03-03 22:43   被转藏 : 1       转藏到我的文章库

引言:宇宙的结局到底是什么样的?是大收缩、大反弹、大撕裂、还是持续膨胀和收缩循环往复、又或是最终走向热寂呢?更为关键的是,我们究竟凭什么去预测宇宙的终极未来呢?



知识点I:勒梅特的宇宙


想要描述宇宙膨胀,只需在引力场方程里加入一个宇宙学常数就行了。1917年爱因斯坦最先引入了宇宙学常数,后来又抛弃了它;而在1934年,勒梅特又第一个将他重新请回。勒梅特在1927年的论文中提出宇宙拥有一个有限的过去,存在着一个炽热的开端。不过宇宙膨胀的速度并不是恒定不变的。宇宙先是减速膨胀,随后宇宙学常数的排斥力占了主导,超过引力后,宇宙就转而加速膨胀,最后一直加速下去,变成指数膨胀的宇宙。这样的宇宙曲率为正,宇宙学常数也为正,与爱因斯坦静态宇宙相比,差别仅仅在于这个代表排斥力的宇宙学常数比爱因斯坦特定的取值稍微大了一点点而已。



知识点II:宇宙空间曲率&宇宙学常数


决定宇宙形态的有两个参数:宇宙空间曲率K和宇宙学常数Λ。当K=0时是欧几里得空间。Λ>0表示排斥力,Λ<0表示吸引力,Λ=0则为静态。当Λ<0,不论K是多少宇宙都会收缩,而当Λ=0时,静态宇宙不稳定。因此大部分情况下宇宙都将膨胀。为了表述得更清楚些,1967年,爱德华·哈里森将这两个参数的取值对应的宇宙未来总结成一张图表,非常直观。

现在,我们将宇宙学常数理解为宇宙的真空能。宇宙始于大约138亿年前,早期宇宙尺寸很小,膨胀行为不受真空能的影响。随着时间的推移,宇宙逐渐开始转型了,当达到当今宇宙的57%大小时,真空能的作用开始显现出来,宇宙膨胀速度最为缓慢,当宇宙大小达到现在的73%的时候,宇宙从减速膨胀变为加速膨胀,这件事情大概发生在45亿年前。



知识点III:主要的宇宙结局


未来的宇宙无非是三种大方向:一是停止膨胀随即坍缩,二是加速膨胀,三是维持现有的膨胀。

1)宇宙大收缩论:认为引力最终会导致宇宙的膨胀变慢、停滞,随后开始收缩,不可阻止,最后再次形成无限密集的奇点,彻底摧毁任何事物。


2)宇宙大反弹,与宇宙大收缩论类似,但相对比较乐观。引力会将所有物质压缩成足够小的空间,但而快速压缩的力量足以启动另一次宇宙大爆炸,宇宙万物可能不会被彻底摧毁,有机会再获重生。


3)与此类似的是宇宙循环论。宇宙会持续膨胀和收缩,循环往复。


4)热寂说。引力无法遏制宇宙的膨胀,而且逐渐失控,因此宇宙会逐渐出现指数级膨胀,根据热力学第二定律,随着恒星一个接一个地熄灭,热量会均匀分布在宇宙中,没有了热量传递,等于没有了信息传递,宇宙死寂一片。




5)宇宙大撕裂。宇宙会加速膨胀,到最后,所有物质的引力都完全无法抗衡,所有的天体都会随着时空的膨胀而被撕裂,想象一下我们身体里的原子分崩离析。



知识点IV:宇宙质量密度


为解决宇宙学常数太过“灵活”,对宇宙模型影响过大,1990年左右天文学家找到了一种新办法,确定宇宙年龄只需要两个参数,一是哈勃常数,代表宇宙普遍膨胀速率,可以通过观测星系来测量的。另一个参数是宇宙质量密度


根据广义相对论,可以得到一个以物质为主的宇宙停止膨胀所需的宇宙密度,被称为临界密度ρ0。假如宇宙是平坦的,那么宇宙的临界密度表达式为3H0^2/8πG。如果取哈勃常数为 H0 = 70 km/s‧Mpc,那么ρ0 = 0.9×10^(-29) g/cm^3。


为了表达更为直观,我们可以将宇宙总的物质的实际密度除以这个临界密度,得到一个密度参数Ω0。在一个均匀的宇宙中,Ω0 >1,表示宇宙实际物质密度大于临界密度,宇宙停止膨胀并转为收缩,称为“闭宇宙”。Ω0 <1,表示宇宙物质无力抵抗膨胀,宇宙会加速膨胀下去,称为“开宇宙”。如果Ω0= 1,未来宇宙仍会膨胀,但速率会很慢。



知识点V:宇宙的构成


普朗克卫星测量的微波背景辐射发现如今的宇宙非常平坦,宇宙的曲率与代表平直性的0曲率差别只在千分之五。(就好比我们地球表面,虽是圆的,但我们观察眼前不远处的土地,总觉得地是平的。)宇宙几乎平直,因此临界密度基本确定,剩下的问题就是测量宇宙的密度。


1998年,美国加州大学伯克利分校索尔·波尔马特和澳大利亚国立大学布莱恩·施密特领导的两个小组分别通过对Ia型超新星进行测距,独立地发现宇宙正在加速膨胀。天文学家把这种推动力称为“暗能量”。结合普朗克卫星测得的微波背景辐射、引力透镜效应观测结果以及重子声波振荡现象,可以推测出宇宙在千分之六的精度上依然是平坦的,当前整个宇宙的密度非常接近临界密度。而实际上我们可观测到的物质仅约为临界质量的4%,因此天文学家认为宇宙的密度是由重子物质、暗物质、暗能量和辐射组成。加之上世纪六七十年代有证据表明宇宙暗物质是可见物质的4倍,很容易得到宇宙中有70%是暗能量,26%是暗物质的结论。

 


知识点VI:宇宙的未来


加速膨胀意味着总有一天任何观测者眼前都会出现一个视界,在视界外,从很远很远的地方发出来的光就永远无法到达我们这里,我们什么都看不到。在极遥远的未来,宇宙膨胀得太快了,以至于任何物理过程都无法持续进行。

1000亿年后,除本星系群之外,所有星系都离开“可观测宇宙”的范围。

1500亿年后,宇宙微波背景辐射从2.7K冷却到0.3K,以现有技术将无法再检测。

4500亿年后,本星系群的47个星系将汇聚成一个大星系。

8000亿年后,随着诸多红矮星亮度下降,大星系整体光度也开始下降。

1万亿年后,星系中将不再形成新的恒星。假如暗能量密度恒定,那么宇宙扩张速度将使得大爆炸的证据不再可见。

100万亿年,所有恒星逐渐耗尽氢原子并死去。

120万亿年,宇宙中大质量天体只留下了矮星、中子星和黑洞。

1千万亿年,早已是白矮星的太阳表面温度冷却到5K。

3×10^43年,宇宙中唯一剩下的天体就是黑洞。

10^106年,几乎所有的黑洞都因霍金辐射而消失,一切物质都衰变为亚原子颗粒,逐渐向其最后的能态逼近——宇宙走向热寂。


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