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宇宙的终极命运将会怎样?理论假说多种多样

2018-10-30 17:48来源:科技日报

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  有媒体报道,一个国际研究团队近日发表论文称,他们从暗物质和暗能量的角度分析后得出结论,宇宙的寿命至少还有1400亿年。目前,宇宙起源已经有公认的理论,认为宇宙起源于约138亿年前的大爆炸,随后开始膨胀演化。但关于宇宙如何走向终结,理论假说却多种多样。

  正如有人说:“我不想知道我是怎么来的,我就想知道我是怎么没的。”对于宇宙究竟会怎么走向终结,科学家们苦苦探寻,提出了“大坍缩”“大撕裂”“大冻结”“大吞噬”等各种假说。

  “大撕裂”假说

  暗能量不断增加使宇宙分崩离析

  “宇宙的最终命运(或称为宇宙终极命运)是物理宇宙学研究的重要问题之一,目前看来它主要依赖于宇宙的空间几何结构以及暗能量的性质,宇宙终极命运的假说主要包括‘大撕裂’‘大冻结’和‘大坍缩’。”10月24日,中国科学院国家天文台副研究员陈云在接受科技日报记者采访时说。

  说起宇宙的空间结构,陈云介绍,其包括平直、闭合和开放3种可能性,可以分别类比于平面、球面和马鞍面。而暗能量则是宇宙中均匀弥漫的一种克服物质(包括普通物质和暗物质)所产生引力的“负引力”。暗能量的性质通常用它的状态方程(就是压强与密度之比)来刻画。不同的暗能量模型下暗能量的状态方程不同。有些模型下暗能量的状态方程是不随时间变化的常数,而这个常数可能等于-1,也可能大于或小于-1;还有些模型下暗能量状态方程是随时间变化的,就是说状态方程可能由大于-1随时间演变为小于-1,也有可能由小于-1变为大于-1。暗能量状态方程等于-1时它的密度是不随时间演化的常数,大于-1时密度会随着时间的增加而减小,而小于-1时密度会随着时间的增加而增大。

  由此,陈云表示,“大撕裂”假说认为如果暗能量是状态方程小于-1的“幽灵暗能量”,那么它的密度就会随着时间增加而增加,从而导致宇宙膨胀的速度越来越快,那么随着宇宙的不断膨胀,宇宙中的所有物质(甚至时空本身)最终都会被逐渐撕碎,瓦解为不受束缚的基本粒子和辐射。

  暗能量的确是宇宙间最神秘、最丰富的能量形式之一,约占宇宙68.3%的质能,但物理学家真的对它了解不多。上世纪90年代发现暗能量之前,物理学家认为因大爆炸而产生的宇宙膨胀正在减缓甚至停止。此后,通过对超新星的观测,天体物理学家们才意识到其实宇宙膨胀正在加速,并且有研究人员对110亿年前形成的星系进行测绘,发现宇宙正以过山车的速度膨胀。

  朴茨茅斯大学的马特·皮尔博士解释说,年轻时期宇宙的生长因引力的影响变缓,但在过去50亿年时间里,宇宙却开始快速膨胀,原因就在于一种神秘的力——暗能量。如果暗能量不断增强且持续扩散,就会推动星系相互分离,紧接着推动行星远离恒星,并造成一系列类似变化。最终,暗能量会强大到把原子核从原子中撕扯出来,并撕裂宇宙间存在的一切,使宇宙分崩离析。

  “大冻结”假说

  宇宙温度趋近绝对零度生命不复存在

  另一种比较典型的宇宙终结假说就是“大冻结”了。

  陈云指出,“大冻结”也被称为“热寂”(heat death)。这种假说认为宇宙最终会演化到一种没有热力学自由能的状态,也就是说宇宙达到一种热力学平衡(即具有最大熵)的状态,同时宇宙温度也趋近(但并未达到)绝对零度,从而任何宏观物理过程和生命都不复存在。在暗能量存在的情况下,不管宇宙空间几何结构是什么样的,“大冻结”都有可能发生。就算没有暗能量,如果宇宙空间几何结构是平直或开放的,“大冻结”也可能出现。

  “大冻结”假说认为在宇宙年龄为1万亿至100万亿年期间恒星会正常形成,但随后恒星形成所需的气体逐渐被消耗殆尽,从而使恒星停止发光,整个宇宙将逐渐陷入黑暗之中,随后黑洞将主导整个宇宙, 但是接下来黑洞自身也会因为霍金辐射(指来自黑洞的光和粒子辐射)而消失,然而再接下来宇宙是一直处于这种“大冻结”的状态,还是走向其他状态,还不得而知。

  有科学家表示,人们在煎蛋时,将一枚鸡蛋打碎放入煎锅,鸡蛋将无法恢复之前的形状。同样宇宙也是这样,伴随着不断进化——炽热气体逐渐形成恒星、行星,孕育人类和各种生命,熵(物理概念,用于度量无序程度)也在逐渐增加。而且一旦宇宙走向无序,就很难停止或反转,就如食物会腐烂、金属会生锈、人类会消亡一样。熵不断地增加,当宇宙中的紊乱达到最大程度时,“大冻结”就会来临。一旦熵达到它的最大值,所有能量将被均匀地分布在整个宇宙内,但任何可重复使用的能量或热量将不复存在,这意味着消耗能量的过程将不再继续。从根本上说,宇宙间的一切终将停止运转。

  陈云说:“由于暗能量的本质属性尚且不知,因此,宇宙未来的命运可能是‘大撕裂’,也可能是‘大冻结’,同时也有可能是先发生‘大冻结’再进入‘大撕裂’。”

  “大坍缩”假说

  宇宙膨胀速度不断变慢从而发生坍缩

  一些科学家认为,如果宇宙内的物质随着时间推移不断减少,大坍缩便会出现,导致引力成为占据支配地位的力。引力导致宇宙收缩,其结果是恒星、星系和行星相互撞击,宇宙发生塌陷,这就是“大坍缩”假说。理论物理学家表示,宇宙内的一些区域已开始塌陷,这种塌陷将最终吞噬宇宙其他区域。

  在陈云看来,“大坍缩”假说认为由于物质的引力作用宇宙的膨胀速度会不断变慢,从而终将停止膨胀并发生坍缩。然而在坍缩之后又将发生什么,尚不能确定;其中一种可能性就是宇宙坍缩到它的初始状态并再次发生大爆炸,从而使得宇宙处于“大爆炸”到“大坍缩”再到“大爆炸”这样一种循环的状态。不过最近的宇宙学观测都表明宇宙的膨胀速度不仅不会变慢,而且由于暗能量的作用膨胀速度在不断加快。简而言之,目前的观测数据不支持“大坍缩”假说。

  “此外,关于宇宙终结还有‘大吞噬’假说,我认为是没有科学依据的纯假想。”陈云说,“大吞噬”假说认为宇宙中的黑洞会逐渐吞噬掉所有天体和物质,并发生大黑洞吞噬小黑洞,最终整个宇宙只剩下一个超级大黑洞。这种假想不可信的理由很多,其中最主要的有3条:一黑洞只会吞噬掉进它视界内的物质,视界外的物质是不会被吞噬掉的;二黑洞并不是只进不出的,比如,星系中心的黑洞在吞噬物质的过程中,通常也会产生沿转轴方向向外的喷流,喷出来的物质又为产生新的恒星和星系提供了原料;三在暗能量主导的时期,由于暗能量的负压作用,相距较远的黑洞是不会发生碰撞的,也就是不会出现互相吞噬的情况。(记者 付丽丽)

[责编:蔡琳]

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