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留给宇宙膨胀的时间,只剩最后1亿年了?

时间:2022/5/23 21:38:51 点击:

  核心提示: 宇宙自从诞生开始,已经膨胀了137亿年。从最开始的一个无穷小的奇点,膨胀到今天无比巨大的尺度。然而,有科学家预言,这场漫长的膨胀将在1亿年内完全结束,那时宇宙转而开始收缩。而造成这一点的,正是大名...

宇宙自从诞生开始,已经膨胀了137亿年。从最开始的一个无穷小的奇点,膨胀到今天无比巨大的尺度。然而,有科学家预言,这场漫长的膨胀将在1亿年内完全结束,那时宇宙转而开始收缩。而造成这一点的,正是大名鼎鼎的暗能量……

撰文 | 白德凡

审校 | 王昱

按照标准宇宙学的结论,我们的宇宙已经存在了约137亿年,在这漫长的岁月中,宇宙由最开始的一个无穷小的奇点,逐渐膨胀到今天无比浩大的尺度。今天的宇宙仍在继续膨胀,甚至还是加速膨胀,这让物理学家不得不引入暗能量解释这种异常的加速。对于暗能量的性质,我们知之甚少。而最近发表于《美国科学院院刊》(PNAS)的一项研究显示,暗能量的一种可能状态可能会让宇宙在不久后停止膨胀,并慢慢开始收缩。而这个可能的时间结点离我们其实没有想象中的那么远——6500万年后宇宙的膨胀将不再加速,而1亿年后宇宙的膨胀将彻底停止,并开始缓慢收缩。

(如果你觉得这个时间还是太远了,可以对比一下:在地球上6500万年前恐龙才刚刚灭绝。

恼人的加速膨胀

爱因斯坦在1915年创立广义相对论,让宇宙学真正成为了一门科学。爱因斯坦场方程蕴含了宇宙的起源和演化问题的答案。但方程中有个问题让物理学家感到困惑,它在宇宙学模型下无法给出一个静态的解,所描述的宇宙总是处在膨胀或收缩之中。受限于当时的宇宙观,爱因斯坦坚信宇宙应该处于一种永恒不变的静态之中,于是修改了方程,添加上带有“宇宙学常数”的一项,得到了静态宇宙解。

然而后来的天文学观测出乎所有人的意料。在1929年,天文学家爱德温·哈勃(Edwin Hubble)观测到河外星系的红移现象,这意味着这些星系正在远离我们。而爱因斯坦场方程预言的宇宙膨胀正好可以解释这种现象。如此一来,方程没有静态解反而不成问题了,添加宇宙学常数实属画蛇添足。爱因斯坦后来撤回了对场方程的修改,并承认引入宇宙学常数是他犯过的最大的错误。

然而问题并没有就此结束。既然我们的宇宙正在膨胀,那么随着宇宙变大,宇宙中物质的密度变小,相应的能量密度也会变小。这时根据爱因斯坦场方程的预言,宇宙膨胀应当逐渐减速。然而天文学观测再次出乎所有人的意料,1998年天文学家根据Ia超新星的观测数据计算宇宙膨胀速度,发现宇宙不是在减速膨胀,而是正在加速膨胀。

宇宙的膨胀速度不减反加,这个发现让物理学家困惑不已。为了给出解释,物理学家认为宇宙中还存在一类未知的东西,它的能量密度不会随着宇宙变大而减小,而是保持常数。于是当宇宙膨胀到原来的两倍大时,这种能量的总量也会翻倍。将这种未知能量纳入到宇宙学模型中来,其实就相当于拾起了被爱因斯坦抛弃的宇宙学常数,它让爱因斯坦场方程可以给出一个加速膨胀的解。

今天宇宙中所有内容物占比示意图,其中68.3%为暗能量,26.8%为暗物质,仅有4.9%为已知的普通物质。(图片来源:Szczureq/Wikipedia

这种未知的能量就是如今大名鼎鼎的“暗能量”。据物理学家估计,暗能量应当占据今天宇宙全部内容物的约70%,才能符合对宇宙加速膨胀的观测。然而这种神秘的能量到底是什么,如何在物理学上描述它,学界莫衷一是。而对暗能量的认知关系到我们对未来宇宙命运的预言,如果暗能量的能量密度并不是一个常数,而是会随时间变化,那么宇宙很可能在未来停止膨胀,并开始收缩。而这最短只需要1亿年的时间。

1亿年后的命运

1998年,保罗·斯坦哈特(Paul Steinhardt)等三位物理学家发表一篇论文,提出了暗能量是一种“精质”(quintessence)的假说。这样的暗能量不再像宇宙学常数描述的那样,能量密度固定不变,而是一种可以随时间变化的标量场。这个标量场表现出吸引还是排斥,取决于其动能与势能的比例。研究人员认为,这个标量场在宇宙诞生约35亿年后变得具有排斥性,但那时对宇宙膨胀起主导作用的还是物质的能量密度,因而膨胀速度逐渐减小。直到宇宙诞生约98亿年后,物质的能量密度随着宇宙变大而降低,暗能量才起了主导作用,使得宇宙加速膨胀。

宇宙自大爆炸以来137亿年的演化示意图,这137亿年中宇宙一直在膨胀,而最近的几十亿年宇宙在加速膨胀。(图片来源:NASA/WMAP Science Team)

但如果暗能量真是一个会随时间变化的标量场,它的成分变化有可能导致排斥性逐渐消失。最近发表在PNAS的一篇论文中,斯坦哈特和两位同事安娜·伊尧什(Anna Ijjas)以及科斯敏·安德烈(Cosmin Andrei)建立了一个包含“精质”暗能量的宇宙模型,他们调整了模型的参数,以符合已知的宇宙膨胀历史。之后,研究人员用这个模型模拟了未来这样的暗能量会发生什么变化。他们发现,暗能量的能量密度会随时间减小,最终表现得类似普通物质。这个转变在6500万年内就能实现,导致那时宇宙的膨胀不再加速。而距今1亿年后,暗能量就会变得有吸引力,导致宇宙开始收缩。

尽管按照这个模型的预测,宇宙开始收缩的时间并不遥远,但研究人员表示,刚开始宇宙收缩的速度非常缓慢,可能需要再经过几十亿年,宇宙才能达到今天的一半大小。但另一方面,我们对宇宙膨胀的所有观测都来自数百万到数十亿光年的天体,它们能告诉我们的是宇宙过去的信息,而不是宇宙的现在或未来。所以,宇宙也有可能已经开始收缩了,而地球上的我们要在很久之后才能意识到这一点。

不过,我们目前还没有办法来确定暗能量是否确实是一种“精质”,或者宇宙的膨胀是否已经开始放缓。斯坦哈特等人的工作,只是建立在一种特殊的暗能量模型上。这种对暗能量的认识是否正确?或许要等未来的观测告诉我们答案。

论文链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.80.1582

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2200539119

本文转自《环球科学》

作者:不详 来源:网络
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