宇宙一直在膨脹,那麼將來會不會因為某種原因收縮回去?

网瘾少女 2022/01/10 檢舉 我要評論

題主問了一個好問題,因為它曾經是天文學領域裡幾個最重大的基本問題之一,也是許多天文學家花費畢生精力都想弄清楚的問題。

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試想一下你朝天上扔一塊石頭,雖然一開始石頭是在不斷向上飛的(可以理解為地球-石頭系統在膨脹),但在引力作用下,石頭最終還是會掉頭向下(系統重新收縮)並落到地面上。

你扔石頭的速度越快,石頭在掉頭向下之前就可以飛得越高。在忽略空氣阻力的情況下,如果石頭的初始速度超過了第二宇宙速度,那麼它就永遠不會掉下來了,而是不斷升高,或者說,地球-石頭系統就會永遠膨脹,雖然它會膨脹得越來越慢(石頭在地球引力作用下會不斷減速),但永遠不會停止。

在扔石頭的模型中,地球的質量和引力是已知的,我們在計算的時候主要考慮的是需要以多塊的速度扔石頭。而在宇宙模型中則正好相反:宇宙膨脹的速度是已知的(通過測量遙遠天體的紅移得到),但我們並不知道宇宙的質量是多少。

如果宇宙質量很大,那麼引力提供的減速作用就足夠強,會導致宇宙最終停止膨脹,重新收縮。對于宇宙的這種結局,天文學家稱為「 大擠壓」:星系和恒星越來越靠近,宇宙的溫度也會越來越高,最後所有物質會重新收縮到一個奇點,我們將毀于無形。

如果宇宙質量不夠大,那麼宇宙就會永遠膨脹下去,天體間的距離越來越遠,直到再也互相看不見。同時,宇宙溫度越來越低,能量分佈越來越均勻,熵也越來越高。最終的結果,宇宙中再也沒有能量差異和能量流動,整個宇宙跟死了一樣,不會有任何現象發生,宇宙的這種結局被稱為「 熱寂」。

總之,在20世紀末之前,天文學家能夠想到的宇宙的結局就是上面這兩種:無論如何,因為引力的作用,宇宙的膨脹都會越來越慢,唯一不確定的是膨脹究竟會不會最終停止並反轉。

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既然這個問題引起了天文學家的好奇心,那麼他們就開始著手研究了。

在比較早的時候,天文學家曾經以為宇宙中絕大部分質量都集中在恒星裡,而恒星的質量可以通過其光度(光度可以理解為實際的亮度)計算出來,而光度又可以通過亮度(天體的亮度是指它在地球上看起來的亮度)和距離來計算,因此天文學家會通過測量星系的總亮度來推算星系的質量,並進一步估算宇宙的總質量。

通過這種光學方法估算的宇宙總質量,遠遠低于剛好能把宇宙膨脹拉停的質量(臨界質量),因此這時期天文學家認為宇宙膨脹永遠不會停止,宇宙的最終命運是熱寂。

後來天文學家通過研究星系自轉速度的異常等現象發現了暗物質,並了解到暗物質的質量比所有可見物質的質量要高出好幾倍,宇宙結局的問題又被重新重視起來了:可見物質加上暗物質的質量,非常非常接近讓宇宙停止膨脹的臨界質量,對測量誤差的取捨都會改變最終結論。

那麼宇宙到底是會停止膨脹並最終發生大擠壓呢?還是會熱寂?天文學家覺得需要更精確的測量手段才能解決這個問題。

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再後來,又有人有了新的思路。

既然我們無法通過觀測可見物質的數量和暗物質的多少來精確獲知宇宙的總質量,那麼我們是否可以通過測量這些質量造成的引力效應來精確測定它們呢?

具體方法是:通過測量宇宙過去的膨脹速度,並與現在的膨脹速度對比,就可以計算出宇宙膨脹的加速度,從而得到引力的大小。

宇宙過去的膨脹速度?這要怎麼測呢?我們又不能穿越到過去……

其實不難。現代望遠鏡技術的強大,足以讓我們看到幾億光年、幾十億光年甚至一百多億光年遠的星系,並且,我們看到的正是它們幾億年前、幾十億年或者一百多億年前的情景。

這就意味著,如果我們觀察一百億光年遠的星系遠離我們的速度,再對比一億光年遠的星系遠離我們的速度,就可以算出這99億年間宇宙膨脹速度的變化。

天文學家信心滿滿,他們認為很快就可以知道宇宙從早期到現在,膨脹速度究竟降低了多少……

1998年,測量的結果出來了。

然後,天文學家們的眼鏡碎了一地。

他們發現,早期宇宙的膨脹速度,居然還沒有現在快。

宇宙竟然在加速膨脹!!!

……

這就好比,你向天上扔了塊石頭,想看看它向上的速度是怎麼逐漸降低的,不料卻發現,石頭不但沒有越升越慢,反而在加速上升。

這哪裡是石頭?分明是火箭嘛!

而火箭之所以能夠加速上升,那是必須要有燃料的,也就是說,需要能量。

直到今天,全世界天文學家、物理學家都無法解釋宇宙加速膨脹的現象,他們認為必定存在某種未知的能量,在推動宇宙加速膨脹。

這種能量,現在被稱為「 暗能量」。

發現宇宙加速膨脹的兩個團隊,獲得2011年諾貝爾物理學獎。

如果宇宙膨脹一直這麼加速下去,那麼宇宙的最終命運將是「 大撕裂」。

所有天體都會解體。

不僅天體,所有的物質,包括原子,甚至質子、中子都會解體。

宇宙不僅會熱寂,沒有事件發生,也不會有物體存在。

和大擠壓的奇點異曲同工:一切皆毀于無形。

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補充一種非主流理論:

有一種理論認為,宇宙是振盪的,像彈簧一樣,一段時間膨脹,一段時間收縮,用圖形來表示的話,就是一個正弦波。而我們目前正好處于一個膨脹週期內的加速階段。

這個理論看起來很美,宇宙也不用毀滅了,也不需要解釋為什麼會發生大爆炸了。

但這個理論目前沒有得到任何證據支持。



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