宇宙终结?亦或是世界末日?人类命运终将归于何方?


宇宙终结?亦或是世界末日?人类命运终将归于何方?


在宇宙微波背景辐射下,探测器观测得到的九年温度变化图像

来源 NASA探测研究团队

十九世纪下半叶,宇宙学家们对宇宙的终结提出了三种可能的设想,而这三种推测均取决于宇宙的密度。当宇宙密度足够大,并在万有引力作用下,宇宙的膨胀速度最终得到减缓,并且还将发生一次“大坍陷”。与高密度的假设完全相反是,极低的密度会使得宇宙永远膨胀。

此时,一切东西将逐渐地昏暗,寒冷,最后发展成为我们所知的“大冻结”。但如果密度恰好的话,宇宙的膨胀速度将会被一点点地减缓,在无尽的时间之后永远地停下。这第三幅图景中的“平面”的宇宙,也会以“大冻结”告终。

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在宇宙微波背景辐射下,“大爆炸”的残留辐射生成的图像所展现给我们的是,真实的宇宙密度十分接近于最后一个设想中的情况。所以理论上而言,宇宙膨胀最终将会停止,不是吗?

然而,与1998年哈勃天文望远镜首次的观测情形有所不符的是,对遥远星系的超新星的最新观测结果表明,宇宙的膨胀速度正在变快。宇宙学家们用暗物质解释这一惊人观测结果。

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因为这种神秘的物质能够抵消引力的挤压作用,于是反过来加快了宇宙膨胀。暗物质的基本性质是如今宇宙学研究最逃不开的问题之一—这个问题的解答能够帮助我们对于宇宙的命运有更为清晰的了解。在一个假设的图景中,如果暗物质的反作用力日益增加,最终宇宙会“四分五裂”。

不过,不管“大分裂”的设想最终是否发生,在已知的情况下,我们都已经明了,加速的宇宙膨胀最后都会使得其他星系离开我们的视野。

宇宙的终极命运

根据天文观测和宇宙学理论,可以对可观测宇宙未来的演化作出预言。均匀各向同性的宇宙的膨胀满足弗里德曼方程。

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多年来,人们认为,根据这一方程,物质的引力会导致宇宙的膨胀减速。宇宙的最终命运决定于物质的多少:如果物质密度超过临界密度,宇宙的膨胀最后会停止,并逆转为收缩,最终形成与“大爆炸”相对的一场“大崩坠”(big crunch);如果物质密度等于或低于临界密度,则宇宙会一直膨胀下去。另外,宇宙的几何形状也与密度有关:如果密度大于临界密度,宇宙的几何应该是封闭的;如果密度等于临界密度,宇宙的几何是平直的;如果宇宙的密度小于临界密度,宇宙的几何是开放的。并且,宇宙的膨胀总是减速的。

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然而,根据近年来对超新星和宇宙微波背景辐射等天文观测所知,虽然物质的密度小于临界密度,宇宙的几何却是平直的,也即宇宙总密度应该等于临界密度。并且,膨胀正在加速。这些现象说明宇宙中存在着暗能量。不同于普通所说的“物质”,暗能量产生的重力不是引力而是斥力。在存在暗能量的情况下,宇宙的最终命运取决于暗能量的密度和性质,较不可能是“大挤压”(big crunch),可能是渐缓膨胀趋于稳定,更可能是继续无限膨胀或不断加速膨胀至连原子也被摧毁的“大撕裂”(big rip)。目前,由于对暗能量的性质缺乏了解,还难以对宇宙的命运作出肯定的预言。


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宇宙的最终命运取决于物质密度ΩM以及暗能量密度ΩΛ.


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绘图显示,宇宙是否稳定,还是只是长寿泡沫,这要依希格斯玻色子与顶夸克的质量而定。直至2012年为止,从兆电子伏特加速器与大型强子对撞机实验数据得到的2σ椭圆,仍旧允许这两种可能结局。

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