点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:宇宙的终极命运会怎样?它由谁主宰?
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

宇宙的终极命运会怎样?它由谁主宰?

来源:光明网2020-01-19 17:04

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  作为智慧生命,宇宙的起源和终极命运是人类一直关心的大命题。关于宇宙的起源,当前获得学术界广泛认可的是“宇宙大爆炸理论”,该理论认为宇宙诞生于约137亿年前的大爆炸,也就是说宇宙是由极度高温高密的奇点爆炸后形成的。然而,关于宇宙的终极命运,却有多种理论假说,主要包括 “大撕裂”、“大冻结”和“大坍缩”。

宇宙的终极命运会怎样?它由谁主宰?

  图1:我们都是好奇宝宝,想要知道万事万物源于何方,又将终于何处。图片来自http://clipart-library.com/universe-cliparts.html.

  主宰宇宙终极命运的两大关键因素:宇宙的几何结构和暗能量的属性

  为了弄清宇宙的最终命运究竟会如何,研究者首先需要厘清主宰它的主要因素有哪些。从目前的研究来看,宇宙的几何结构( 或者说宇宙的空间曲率)和暗能量的属性是决定宇宙最终归宿的两大主因。

  宇宙的几何结构包括闭合、平直和开放三种可能性,分别对应着空间曲率大于、等于和小于零,这三种情形可分别类比于二维的球面、平面和马鞍面(图2)。关于宇宙几何结构的更多信息,大家可以阅读我们2019年12月3日刊出的“宇宙有边么?它是个什么形状”一文。

宇宙的终极命运会怎样?它由谁主宰?

  图2:宇宙的三种空间几何结构:闭合、平直和开放空间,如图所示可分别类比于球面、平面和马鞍面。图片来自https://courses.lumenlearning.com/astronomy/

  自1998年科学家通过天文观测发现宇宙加速膨胀以来,有一大批的理论方案被陆续提出,并用于解释这一现象,而其中最主流的观点认为宇宙中均匀弥漫着一种“负压”组分,它所产生的“负引力”或称“斥力”克服了物质(包括普通物质和暗物质)所产生的引力,从而驱使宇宙加速膨胀,这种未知的力量被称为“暗能量”。

  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。

  大撕裂:宇宙中的所有物质最终将瓦解为不受束缚的基本粒子和辐射

  “大撕裂”(Big Rip)假说认为如果暗能量的密度随着时间增加而增加,不管宇宙的空间结构是闭合、平直还是开放的,随着宇宙的不断膨胀所有物质(甚至时空本身)最终都会被逐渐撕碎。如果暗能量是状态方程小于-1的“幽灵暗能量”(phantom dark energy),那么它的密度随着时间的推移而不断增加,从而导致宇宙膨胀的速度越来越快,最终就会使得宇宙中的所有物质都瓦解为不受束缚的基本粒子和辐射。

  大冻结:宇宙温度最终将趋于绝对零度

  “大冻结”(Big Chill/Big Freeze)也被称为“热寂”(heat death)。这种假说认为随着宇宙的膨胀,气体作为恒星形成所必需的材料,变得越来越稀薄,最终会不足以支撑新的恒星形成。随着恒星形成的停止,宇宙温度越来越低,并最终演化到一种没有热力学自由能的状态,也就是达到热力学平衡 (即具有最大熵),同时宇宙温度也将趋近(但并未达到)绝对零度(零下273.15摄氏度),从而任何宏观物理过程和生命都不复存在。

  看到“大冻结”这个词,笔者脑海中立马浮现出的是动画电影《冰川时代》中的景象(图3)。不过“大冻结”时期的温度可要远远低于“冰川时代”的。在暗能量状态方程等于-1的情况下,“大冻结”不仅在平直和开放的宇宙空间结构下可能发生,甚至在闭合的宇宙中也有可能发生。在平直或开放的宇宙中,无论暗能量的状态方程等于何值,“大冻结”的结局都是可能出现的。

宇宙的终极命运会怎样?它由谁主宰?

  图3:“大冻结”很容易让人联想到电影《冰川时代》中的景象。不过“大冻结”时的温度趋于绝对零度(零下273.15摄氏度),这个温度远远低于“冰川时代”的。图片来自www.pandora-magazine.com

  大坍缩:物质的引力作用使得宇宙最终停止膨胀并发生坍缩

  “大坍缩”(Big Crunch)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。从目前的宇宙学观测来看,产生负压的暗能量肯定存在,而且它的密度高于物质的,因此宇宙的膨胀不会停止,“大坍缩”是不太可能发生的。

宇宙的终极命运会怎样?它由谁主宰?

  图4:示意图展示了宇宙终结的三种可能方式。图片来自https://supernova.eso.org/exhibition/1109/?lang=en

  普朗克卫星观测所支持的闭合空间,意味着宇宙将拥有怎样的终极命运?

  欧洲普朗克(Planck)卫星于近期所发布的观测结果,在约3倍标准差的置信度上支持空间闭合的宇宙,然而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”。

  作者简介

  陈云,国家天文台副研究员。2007年从大连理工大学物理系本科毕业。2012年获北京师范大学天文系博士学位。曾先后在台湾清华大学、中科院国家天文台从事博士后研究工作。研究内容主要包括暗能量的理论和观测检验、强引力透镜的宇宙学应用,以及中微子质量的宇宙学测定。

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 香港特区政府举行悼念活动

  • 天津首家市内免税店投入运营

独家策划

推荐阅读
11月28日晚,2025中国・E-TOWN电竞节超级冠军杯开幕式在位于北京经济技术开发区(又称“北京亦庄”)的北京智慧电竞赛事中心举行。
2025-11-28 20:51
加强重点液态食品道路散装运输监管,守护“舌尖上的安全”;督促连锁餐饮企业落实食品安全主体责任,规范一些连锁餐饮企业“只开店、不管店”问题;“旧国标”电动自行车全面停售……12月新规,一起来看!
2025-11-28 17:11
从神舟二十号乘组换乘返航的刷屏热搜,到“太空烧烤”的温情热议;再到“十五五”期间中国计划发射4颗科学卫星任务……近期中国航天事业的新进展层出不穷。
2025-11-28 09:15
人工智能是引领新一轮科技革命和产业变革的战略性技术,其标准化建设直接关系到关键核心技术自主可控、智能成果普惠于民以及在全球科技治理中赢得话语权。
2025-11-28 05:00
在黑龙江省齐齐哈尔市甘南县东阳镇隆胜村树莓园,凛冽寒风中,东北农业大学园艺园林学院教授霍俊伟正蹲在田埂上仔细查看果树修剪情况。
2025-11-28 05:00
11月27日,国家文物局在京召开专题新闻发布会,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所副所长付巧妹向媒体介绍了石峁遗址最新科学研究成果。
2025-11-28 05:00
日前,中国科学技术大学自旋磁共振实验室王亚教授等与浙江大学海洋精准感知技术全国重点实验室合作,在纳米尺度量子精密测量领域取得重大突破
2025-11-28 05:00
近日,在广西南宁举行的全国科普创作大会上,中国科普作家协会发布了2025年度十大科普热词——全国科普月、科学家精神、大模型、低空经济、人形机器人、智能体、创新文化、工业遗产、场景创新、科幻产业。
2025-11-27 05:40
近期,在一些电商平台,有买家利用AI技术制作假图,伪造商品质量问题,向商家骗取“仅退款”,引发大家关注。利用AI造假骗取退款,既反映出这些人的诚信缺失,更触碰了法律红线。
2025-11-27 09:07
在城市公共服务领域,“祥云”载人飞艇可用于大型活动期间的空中安保巡逻、交通流量监测或承担城市形象的空中展示平台。
2025-11-27 09:06
稀土纳米晶是发光材料中的“绝缘宝石”,虽具有巨大的发光潜力,却因自身局限无法被电流直接“点亮”,成为其实现光电技术产业化应用的根本瓶颈。
2025-11-27 05:40
从中国载人航天工程办公室获悉,因任务规划调整,2026年我国将组织实施天舟十号、神舟二十三号、神舟二十四号、梦舟一号4次飞行任务。
2025-11-27 05:40
广西梧州苍梧县沙头镇龙科村,稻田、房屋、道路、小河勾画出美丽丰收画卷。 春采茶、夏摘花、秋收果、冬育苗,如今在都镇湾镇,一朵朵洁白芬芳的栀子花,成了带动群众增收致富的“幸福花”。
2025-11-27 07:38
近日,自然资源部发布了矿产资源节约与综合利用先进适用技术目录(2025年版),共有376项技术入选,其中新增入选186项,与2022年版相比有了大幅更新。
2025-11-26 10:26
全国科学技术名词审定委员会近日举办2025年度工作会议暨学术年会。
2025-11-26 10:24
不久前,国务院办公厅印发《关于加快场景培育和开放推动新场景大规模应用的实施意见》,首次在国家层面对场景培育开放进行系统部署。看似细微的“场景”二字,实则内蕴驱动产业变革、催生颠覆性技术的巨大能量,是撬动全局创新的重要支点。
2025-11-26 10:22
光明日报北京11月25日电 记者温源从中交集团获悉,我国自主设计建造的新一代超大型耙吸挖泥船“通浚”轮25日在中国黄海海域成功完成全部海上试验项目,顺利返航停靠江苏启东振华船厂码头。“通浚”轮是我国首艘自主设计建造的35000立方米舱容等级超大型耙吸挖泥船,最大舱容达38168立方米,位列亚洲第一、世界第二。
2025-11-26 10:15
日前,记者来到广西南宁东部新城的宁福新能源科技有限公司生产车间,这里的机械臂精准协作,生产线正全速运转,每天超10万颗电池下线发往全球。依托面向东盟的比较优势,南宁将新能源电池产业列为核心牵引性产业,以全产业链思维开展精准招商。
2025-11-26 10:13
传统无机颜料虽然色彩稳定,却因重金属添加而存在健康风险隐患。“新型稀土环保颜料的呈色策略突破了传统颜料的局限,其出现及量产不仅解决了传统颜料有毒性、环境污染等问题,还在稳定性和生产成本上展现出显著优势。
2025-11-26 10:06
《办法》明确,卫星导航定位基准站的建设和运行维护实行统一规划、统一标准、统一监管,以“合理布局、依法备案、资源共享、保障安全”为原则,必须符合国家有关法律法规、技术规范和标准。
2025-11-25 09:43
加载更多