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

  • 乌旦塔拉 美如童话

  • “良渚之光”中美交响乐团专场音乐会举行

独家策划

推荐阅读
世界气象组织(WMO)近日报告称,2024年的大气二氧化碳浓度创下历史最大增幅,达到有记录以来的最高水平。” 
2025-10-17 09:51
10月17日,《科学》发表了庾强团队的一项重要成果。
2025-10-17 09:46
据国家粮食和物资储备局最新发布的消息,今年夏粮旺季收购已于9月底结束,累计收购小麦10795万吨。
2025-10-17 09:42
监测显示,15日新疆、西藏、青海、甘肃、内蒙古等地出现7至8级大风,局地阵风10级;新疆、内蒙古中东部、黑龙江、吉林、辽宁等地最高气温下降6℃至10℃,局地12℃以上。
2025-10-17 09:41
10月14日,随着满深502-H3井钻头穿透8380米地层,这口历经岩层卡阻、垮塌风险与高含硫考验的超深井成功完钻,成为塔里木油田“十四五”期间第223口8000米级超深井。
2025-10-17 09:38
高分辨光谱成像芯片“玉衡”,实现了亚埃米级光谱分辨率、千万像素级空间分辨率的快照光谱成像。
2025-10-16 09:50
10月13日至15日,第十四届中国国际专利技术与产品交易会在大连举行。近日,天津市河东区大王庄街社区卫生服务中心完成了天津市国产九价HPV疫苗的首针接种,而这背后,离不开专利技术的支撑。
2025-10-16 10:06
10月的上海淀山湖波光粼粼,岸边的东方绿舟国防园已万事俱备,只待“2025年全国青少年智能无人系统应用大赛(IUSAC2025)”拉开帷幕。
2025-10-16 09:48
到2027年底,在全国范围内建成2800万个充电设施,提供超3亿千瓦的公共充电容量,满足超过8000万辆电动汽车充电需求,实现充电服务能力的翻倍增长。
2025-10-16 09:48
我国自主研发的新一代超高速实时示波器正式发布,其带宽突破90GHz、达到国际先进水平,这标志着全球电子通信产业迎来超高速信号“中国标尺”。
2025-10-16 09:44
在15日举行的中国环境与发展国际合作委员会2025年年会开幕式上,生态环境部部长、国合会中方执行副主席黄润秋表示,要以美丽中国先行区建设为牵引,深化美丽中国建设推进落实机制,分级分类推进美丽中国地方实践。
2025-10-16 10:02
“经过不懈努力,中国以占世界9%的耕地、6%的淡水资源,养育了世界近1/5的人口,这本身就是对世界粮食安全的巨大贡献。钱毅介绍,目前,我国已经建成粮食储运等5个国家级科技创新平台基地,26个部级粮食技术创新中心和重点实验室,以及百余个地方研发创新平台。
2025-10-15 10:49
外交部发言人林剑14日表示,中国机器人正展现出广阔应用前景,逐步从实验室走进工厂生产线和各国百姓家。林剑介绍,国际机器人联合会此前发布的《2025年世界机器人报告》显示,2024年中国在役工业机器人存量突破200万台,居全球首位。
2025-10-15 10:45
约两年前,谷歌旗下深度思维公司宣布,借深度学习技术发现220万种新型晶体材料。科学家期待借助AI,设计出可规模化生产、真正影响日常生活的先进材料,让AI在材料科学领域的价值真正落地。
2025-10-15 10:44
盼望北极熊出现,是中国第15次北冰洋科学考察队队员进入北极圈后的心愿。午后,按照防熊预案部署,考察队决定使用直升机对其驱离,以保证冰面作业人员安全,快速完成冰上作业任务。
2025-10-15 10:40
数据显示,截至去年底,已有超6000台无人配送车投入规模化应用,为100多个细分场景用户交付上亿件订单。随着智能技术与现代物流深度融合,在城乡经济循环中,无人配送车有了更多打开方式。
2025-10-15 10:20
不久前的国庆中秋假期,人形机器人俨然成为多地商场、工厂、医院甚至众多家庭的“明星”。这款名为Galbot的人形机器人来自银河通用,已正式“入职”该智慧工厂,承担自动质检、零部件分拣与搬运等复杂任务。
2025-10-14 09:57
近日,工业和信息化部、国家标准化管理委员会印发了《云计算综合标准化体系建设指南(2025版)》(以下简称《指南》)。
2025-10-14 09:56
最长主跨跨径、最高主塔塔高、最大锚碇基础、最大主缆规模、最多车道数量……狮子洋大桥集齐了双层悬索桥的多个世界第一。
2025-10-14 09:55
加载更多