宇宙的终局:大撕裂导致大爆炸?

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大撕裂会不会导致另一次大爆炸?

几乎没有什么问题可以让我们在晚上思考整个宇宙的最终命运。这些恒星将会燃烧殆尽,被新的恒星所取代,而新的恒星本身也会燃烧殆尽,直到宇宙耗尽燃料为止。星系将合并在一起并喷射物质,而束缚星系、星系群和星系团之间的空间将永远扩大。暗能量使这种扩张不仅是无情的,而且是加速的。这就是必然的结局吗?

“大撕裂”会不会导致另一个“大爆炸”?当宇宙膨胀到足以将原子撕裂然后是夸克撕裂。在这一点上,宇宙会创造一个夸克胶子汤吗?

没有什么比宇宙的命运更岌岌可危了。



遥远的星系正在加速远离我们。最终,我们将不再从他们那里接收到来自某一点以外的光。但暗能量的价值并不需要像许多人所说的那样完美地微调。它可以是一个常数,也可以以多种方式变化。

当你在宇宙中随意观察一个遥远的星系时,你会发现它的光的颜色比你从我们星系内的恒星看到的光更红的可能性非常大。追溯到20世纪20年代,科学家们注意到了一种普遍存在的关系:一个星系离你越远,平均来说,光变得越红。在广义相对论的背景下,人们很快理解到,这很可能是由于空间本身的结构随着时间的推移而扩大。



1929年对哈勃宇宙膨胀的最初观测,随后是更详细的,但也不确定的观测。右,罗伯特·P·克尔什纳;左,埃德温·哈勃

那么,下一步就是精确地量化宇宙扩张的速度,以及这种扩张随着时间的推移是如何变化的。从理论的角度来看,这之所以如此重要,是因为宇宙的膨胀历史决定了其中的内容。如果你想知道你的宇宙,在最大的尺度上,是由什么组成的,测量宇宙是如何在整个宇宙时间中扩展的,这是一个到达那里的必经之路。

如果你的宇宙充满了物质,你会发现膨胀速率会随着体积的增加而下降,这与物质稀释的程度成正比。如果它充满了辐射,你会发现它的速率下降得更快,因为辐射本身会红移,失去额外的能量。具有空间曲率、宇宙弦或空间本身固有的能量的宇宙,将根据所有不同的能量成分的比率而演变。



一个明显的膨胀速率(y轴)与距离(x轴)的图与过去的宇宙膨胀速度是一致的,但是在今天遥远的星系在衰退中正在加速。这是哈勃原著的现代版本,比哈勃原著延伸了数千倍。请注意,这些点不是一条直线,表示扩展速率随时间的变化。

根据我们所能进行的一整套测量,包括变星,星系的不同类型和性质,以及Ia型超新星,以及宇宙微波背景和星系聚集和关联,我们已经能够准确地确定宇宙是由什么组成的。具体而言,它包括:

68%的暗能量。27%的暗物质。4.9%的正常物质。0.09%的中微子。0.01%的辐射。每个数字上都只有几个百分点的不确定性。



宇宙的预期命运(前三幅图)都对应于物质和能量对抗初始膨胀速率的宇宙。在我们观察到的宇宙中,宇宙加速是由某种类型的暗能量引起的,到目前为止,这种暗能量是无法解释的。所有这些宇宙都受弗里德曼方程的支配,这些方程将宇宙的膨胀与宇宙中存在的各种类型的物质和能量联系起来。

我们的宇宙被暗能量所支配是特别有趣的,因为这是宇宙中不必存在的组成部分,更不用说支配了。然而,在大爆炸138亿年后的今天,我们生活在一个由暗能量控制着宇宙膨胀的宇宙中。

围绕着暗能量有很多问题,包括它的本质是什么,是什么形成的原因,以及它是恒定的还是会随着时间的推移而进化。这里还有一点摇摆的空间,但是所有的观察结果都是一致的,它是一个宇宙学常数。换句话说,它看起来就像是一种新的能量形式,是空间本身所固有的。随着宇宙的膨胀,它创造了新的空间,所有的空间都包含相同的、均匀的暗能量。



虽然物质、辐射和暗能量的能量密度是众所周知的,但在暗能量的状态方程中仍然有很大的摆动空间。它可能是一个常数,但随着时间的推移,它的强度也可能增加或减少。

从理论的角度来看,有许多已知的方法可以生成一个宇宙常数,因此只要数据与之一致,解释就很可能会继续被人们所接受。但是没有理由认为暗能量不会比这更复杂。

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