新聞 > 科教 > 正文

大事不好!宇宙「馬上」就要停止膨脹了?

宇宙的加速可能會在接下來的6500萬年內迅速結束——然後,在1億年內,宇宙可能會完全停止膨脹,相反,它可能會進入一個緩慢收縮的時期,有如時間反轉,宇宙走向死亡或者說是重生。

發表在《美國國家科學院院刊》上的一項新研究表明,經過近138億年的不間斷膨脹後,宇宙可能很快就會停滯不前,然後慢慢開始收縮。

在新論文中,三位科學家試圖根據過去對宇宙膨脹的觀察數據來模擬暗能量的性質——一種導致宇宙加速膨脹的神秘力量。

根據他們的模型中,暗能量不是自然的恆定力量,而是一種叫做quintessence的實體,會隨着時間的推移而衰減。

研究人員發現,儘管宇宙的膨脹已經加速了數十億年,但暗能量的排斥力可能正在減弱。

根據他們的模型,宇宙的加速可能會在接下來的6500萬年內迅速結束——然後,在1億年內,宇宙可能會完全停止膨脹,相反,它可能會進入一個緩慢收縮的時期,有如時間反轉,宇宙走向死亡或者說是重生。

新澤西州普林斯頓大學普林斯頓理論科學中心主任、研究合著者保羅·斯坦哈特說,這一切都可能發生的「非常」迅速。

「時光倒流6500萬年,那時希克蘇魯伯小行星撞擊地球並消滅了恐龍,」斯坦哈特告訴 Live Science。「在宇宙尺度上,6500萬年非常短。」

沒有參與這項研究的不列顛哥倫比亞大學物理學和天文學教授 Gary Hinshaw告訴 Live Science,這個理論沒有任何爭議或內在矛盾。

然而,由於該模型僅依賴於過去對膨脹的觀察——而且因為宇宙中暗能量的當前性質是如此神秘——文中的預言目前無法經過驗證。目前,它僅是保留理論。

虛空能量

自1990年代以來,科學家們已經了解到宇宙的膨脹正在加速;星系之間的空間現在比數十億年前擴大得更快。

科學家們將加速力量的神秘源命名為暗能量——與重力抵消的隱秘實體,將宇宙中最巨大的物體推得更遠,而不是把它們拉在一起。

儘管暗能量約佔宇宙總質能量的70%,但它的性質仍然是個謎。

愛因斯坦提出的一個流行理論是,暗能量是一個宇宙常數——一種編織到時空結構中的不變的能量形式。如果是這樣,暗能量施加的力永遠不會改變,那麼宇宙應該永遠繼續膨脹(和加速)。

然而,一個相互競爭的理論表明,為了適應過去宇宙膨脹的觀測,暗能量不需要保持不變。

相反,暗能量可能是一種被稱為quintessence的東西——一種隨時間變化的動態場。(斯坦哈特是在1998年《物理評論快報》雜誌上的一篇論文中提出這一想法的三位科學家之一。)

與宇宙常數不同,quintessence既可排斥又可吸引,這取決於它在給定時間的動能和勢能的比率。在過去的140億年中,quintessence以排斥為主。

然而,在那個時期的大部分時間裏,與輻射和物質相比,它對宇宙膨脹的貢獻微不足道。大約50億年前,這種情況發生了變化,當時quintessence成為主要成分,其引力排斥效應導致宇宙加速膨脹。

「我們在本文中提出的問題是,『這種加速必須永遠持續下去嗎?』」斯坦哈特說。「如果沒有,有什麼替代方案,情況多久能改變?」

暗能量之死

Steinhardt和同事、紐約大學的 Anna Ijjas、普林斯頓大學的 Cosmin Andrei預測了未來數十億年quintessence將如何變化。

為此,該團隊創建了物理模型,依據過往的觀測記錄,顯示它隨着時間推移,斥力和引力如何變化。一旦團隊的模型能夠可靠地向後再現宇宙的膨脹史,他們就可向前推至未來。

「令他們驚訝的是,他們模型中的暗能量會隨着時間的推移而衰減。如果它以某種方式減弱,那麼最終暗能量的反引力特性就會消失,它會轉變回更像普通物質的東西。」

根據該團隊的模型,暗能量的排斥力可能正處於數十億年前開始的快速衰退期中。

在這種情況下,宇宙的加速膨脹今天已經放緩。很快,也許在大約6500萬年內,這種加速會完全停止——然後,在從現在開始的短短1億年內,暗能量可能變得有吸引力,導致整個宇宙開始收縮。

換句話說,經過近140億年的增長,空間可能會開始縮小。

「這將是一種非常特殊的收縮,我們稱之為緩慢收縮。」斯坦哈特說。「空間沒有擴大,而是非常非常緩慢地收縮。」

斯坦哈特說,最初,宇宙的收縮會非常緩慢,以至於任何還活着的地球上的假設人類甚至都不會注意到變化。根據該團隊的模型,宇宙需要數十億年的緩慢收縮才能達到今天大小的一半。

宇宙的盡頭?

從那裏開始,可能會發生兩種情況。要麼宇宙收縮,直到它在一次大的「緊縮」中自行坍塌,結束我們所知道的時空——或者,宇宙收縮到足以恢復到與其原始條件相似的狀態,以及另一場大爆炸——或者一個大的「反彈」,從舊宇宙的灰燼中創造了一個新的宇宙。

在第二種情況下(Steinhardt和另一位同事在2019年《物理快報 B》雜誌上的一篇論文中描述了這種情況),宇宙遵循膨脹和收縮、擠壓和反彈的循環模式,不斷地坍縮和重塑。

如果這是真的,那麼我們當前的宇宙可能不是第一個或唯一一個宇宙,而只是在我們之前膨脹和收縮的無限系列宇宙中的最新一個,斯坦哈特說。而這一切都取決於暗能量的多變本質。

由於我們對宇宙膨脹的所有觀測都來自距離地球數百萬到數十億光年的物體,因此目前的數據只能讓科學家了解宇宙的過去,而不是它的現在或未來。

所以,宇宙很可能正朝着緊縮的方向發展,直到收縮階段開始很久之後,我們才能意識到這一點。

不幸的是,沒有很好的方法來檢驗quintessence模型,或者宇宙膨脹是否開始放緩,斯坦哈特承認。目前,這只是將理論與過去的觀察數據相匹配的問題。

無論是無盡增長還是快速衰退的未來等待着我們的宇宙,只有時間會證明一切。

責任編輯: 方尋  來源:煎蛋網 轉載請註明作者、出處並保持完整。

本文網址:https://hk.aboluowang.com/2022/0510/1746461.html