宇宙的命运
2015-02-24
星空天文网
图片来源：Mark Garlick / HELAS “有人说世界将毁于火， 有人说毁于冰。 凭我对欲望的感受， 我赞成毁于火。 但若世界要毁灭两次， 凭我对仇恨的了解， 我能说，冰的摧毁力 也同样强大， 而且也已足够。” ——罗伯特·弗罗斯特 这段时间你可能已经真切地感受到了冬天的威力，寒潮袭来，大地封冻，暴风雪横扫北半球。
但我们都相信这是暂时的，春天离我们已经很近。世界并不会就此越来越冷，直到绝对零度。
当然是这样；我们的行星变冷（北半球）只是因为它的倾斜方向朝向了与太阳相反的方向。而在接下去的几个月中，角度会逐渐回复，随着直射阳光的变多，气温将很快回暖。 但是宇宙却没有这么幸运。这个看似荒谬的想法对宇宙而言不仅是合理的，而且还涉及到一个终极问题：宇宙的命运如何？ 为了能够理解这为何是一个合理的想法，我们必须想办法回答另一个问题：我们从何而来？
答案当然是宇宙大爆炸，它告诉我们，宇宙中的一切物质和辐射，都起源于一个炽热而致密的膨胀阶段，随后温度逐渐冷却，密度逐渐降低，膨胀的速度也随之下降。
当你听到“宇宙在膨胀”时，脑子里可能会有一幅明确的图画。它可能是一个表面贴满了星系且正在被吹大的气球；它可能是烤箱中面包里的葡萄干；它可能是内部充满了空气的肥皂泡，它也有可能是其他的东西。 但这些都不尽如人意，因为它们只是对广义相对论数学框架的简单模拟。除了数学以外，要对宇宙的膨胀进行阐述还需要涉及另外两个方面： 任一时刻存在于宇宙中的所有不同能量密度形式（包括普通物质、暗物质、暗能量、中微子、光子、宇宙弦、磁畴壁、磁单极子等等一切你所能想像的东西），以及那一时刻的实际物理膨胀速度。因此当我说“宇宙的膨胀方式”时，意思就是“宇宙演化的膨胀特点”。
存在着三种简单的可能性。我说简单，是指和《金发姑娘和三只小熊》一样简单。让我解释一下：随着宇宙的持续膨胀，宇宙内的粒子总量是不变的，但是它的体积却在持续增大，这意味着能量密度会下降，因为膨胀速度取决于能量密度，所以膨胀速度也会下降。基于这个假设，宇宙的命运有三种（天真的）可能性。 膨胀得太慢了。如果膨胀速度在某一时刻低于特定值（将由能量密度决定），那它就会在一个有限的时间范围内下跌到零。因为引力仍然存在，所以我们的宇宙就会在那时进入退缩阶段（不再膨胀），宇宙会在大收缩中回到起点。这就是那个“火”的场景，大爆炸的遗留辐射将被重新点燃，一切将在烈焰中被烤焦。 膨胀得太快了。如果膨胀速度高于特定值，那宇宙中就没有足够的“东西”能够阻止膨胀永远进行下去。尽管膨胀速度会继续下跌，但它永远也不会变成零，而我们也会发现自己生活在一个“开放的宇宙”中，如上图所示。这被称为宇宙的“热寂”，也就是“冰”的场景。 不快不慢刚刚好。如果膨胀速度正好等于特定值，那膨胀的速度会接近零，但永远也不会达到零。假如宇宙中正好多出一个粒子，或者少了一个粒子，那结果就分别是前面两种场景，但后者所要经历的，是我们所能想像的最缓慢的热寂过程。 为了证明对这些场景而言，初始条件有多么敏感，下图所描述的，便是早期宇宙在“不同的”膨胀速度影响下，我们今天所可能拥有的不同宇宙。
如上图所示，仅仅是10^24的极小个位数差异，便意味着我们今天的宇宙会有极大的不同。数字大一点，今天的宇宙就会大两倍；而数字小一点，今天的宇宙便早已坍缩回起点了！ 但是拜暗能量所赐，这些场景永远都不会出现！
与接近零相反，膨胀速度会接近一个很小，但是却有限的值！ 这件事非常非常值得关注，因为是它让我们加速接近了“冰”的命运！随着宇宙的持续膨胀，膨胀速度并没有下降得越来越快，而是会一直保持这个速度。因此当过了一倍时间后，空间大一倍；当过去三倍时间后，空间大四倍；当过去四倍时间后，空间将大八倍。一直持续下去！
上图标注出了星系间正在呈指数级增长的距离。这意味着所有与我们没有引力关联的单一星系——包括宇宙中的所有大型星系团和我们渺小本星系团中的几乎一切——正在逐渐加速远离我们而去。 由于这些遥远天体远离我们的速度并没有越来越慢，而是变得越来越快，因此我们称其为加速的宇宙！但是请注意，宇宙膨胀的速度本身并没有增加；它只是没有持续下降，这也是所有“减速”旧理论的基础！
之所以如此，都是因为暗能量的存在——这是一种空间本身所固有的能量！与物质和辐射会随着宇宙的膨胀而逐渐被稀释不同，暗能量相当于宇宙中的一种常量，因此即使宇宙持续膨胀，这种能量的密度也是不变的！
所以，宇宙不但会毁于冰；它还会以最快的方式毁于冰！上图中的每个星系都将从宇宙中消失，而且即便我们能够以光速旅行，也无法到达它们中的大部分。它们相当相当遥远，因此在未来相当长的时间中，还会有难以计数的趣事在那里发生。
整个与我们关联在一起的宇宙本地区域——共有超过千亿颗恒星，以及更多的行星、气体和暗物质——因此我们可以期待它有一个辉煌的未来。但是仅此而已。即便是现在，就算以光速飞行，由于宇宙的加速膨胀，我们也已经无法到达可观测宇宙中97%的星系了。 所以说一切将结束于冰。冰的摧毁力同样强大，而且也已足够。 Ethan Siegel 老孙译 |
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