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

  • 壶口瀑布迎来暑期旅游高峰

  • 浙江舟山:东海开渔 千帆出海

独家策划

推荐阅读
极端天气正在深刻影响各国民众的生活选择,而中国的绿色产品正在其中扮演越来越关键的角色。
2026-08-12 10:23
近日,山东省青岛市首家机器人6S体验店开业,吸引众多消费者前来参观体验。
2026-08-12 10:21
近日,中国科学院南京地质古生物研究所晚古生代研究团队副研究员要乐、王秋来与中国科学院青藏高原研究所副研究员魏强合作,首次系统揭示了地球倒数第二次大冰期的完整过程与机制。
2026-08-12 10:20
北京大学周丰教授、王旭辉研究员团队揭示极端高温影响水稻产量的新机制,相关成果于近日发表。
2026-08-12 10:16
增强科技创新体系化攻关能力,就是要以系统思维统筹国家创新体系的各类主体、各个环节、各项要素,构建安全可控、高效协同、良性循环的创新生态,提升国家创新体系整体效能。
2026-08-12 09:59
如果一个人童年时曾遭遇不幸和逆境,常让他在成年后面对风浪时,更容易陷入焦虑、抑郁等情绪障碍。目前,人们还没有能治疗童年逆境对大脑深远影响的办法,其中一个重要原因,就是过去没弄清背后的分子机制。
2026-08-11 09:41
日前发布的《加快农业农村现代化“十五五”规划》,将粮食综合生产能力确定为约束性指标,明确提出粮食综合生产能力从2025年的1.39万亿斤,提升到2030年的1.45万亿斤左右。在汶上县,2025年粮食种植面积稳定在150万亩、产量超过14亿斤;今年小麦平均亩产581.5公斤,眼下秋粮玉米长势喜人。
2026-08-11 09:39
氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源。氢能能量密度大,在长距离运输上有优势,被应用于公交客运、冷链运输、干线物流等场景。依托国家氢能示范城市群政策牵引,截至2025年底,我国氢燃料电池汽车累计销量近4万辆,氢燃料电池应用场景向矿卡、船舶、无人机、轨道交通等延伸。
2026-08-11 09:35
5月4日,人们在浙江省杭州市文三数字生活街区的AI黑科技市集上体验DeepSeek(深度求索)的人工智能大模型。从东南亚的政务服务到中东的能源行业,从欧美的初创企业到拉美的电商平台,中国大模型正在用实实在在的能力赢得全球用户的信赖。
2026-08-11 09:31
今年4月,上海极地考察国内基地,中国极地研究中心(中国极地研究所)极地船舶管理中心主任赵炎平望着完成考察任务的“雪龙”号,嘴角微微上扬,脸上洋溢着笑容。系统正式投运那一刻,孙宏斌说自己“很激动”,因为我国极地科考告别了40年的柴油依赖,率先迈入绿色能源新纪元。
2026-08-11 09:26
研究团队在实验室造了一个微型“知识世界”:图片是节点,关联概率是连线——像城市路网,有的路口四通八达,有的只有羊肠小道。罗欢说:“这意味着,那短短的先期接触,已经在大脑中搭起了一副以核心结构为支撑的压缩骨架。
2026-08-11 09:25
望远镜建起来后,让它们高效、智能、持续地产出高质量数据及成果,才是真正的挑战。而这道题的关键解法,就是人工智能。
2026-08-10 09:58
中国环流三号装置升级改造项目低温系统罐区14台大型储罐日前全部安装就位,标志着核聚变研究从零散单点技术攻关正式跨入多系统协同集成的工程化新阶段。
2026-08-10 09:57
近年来,我国加快布局空、海、潜一体化智能装备体系,构建起全域覆盖、自主可控的海洋立体安防网络,为海洋产业高质量发展筑牢安全屏障。
2026-08-10 09:55
当前,分散化、碎片化的创新模式已无法适应高水平科技自立自强的新要求,必须加快构建支持全面创新的体制机制,为发展新质生产力、确保2035年进入创新型国家前列提供澎湃动能。
2026-08-10 09:51
通用人工智能是人工智能发展的技术初心和前沿,是引领智能革命、重塑国家竞争力的战略制高点。新征程上,我们应勇担使命,积极探寻实现通用人工智能的中国道路。
2026-08-10 09:49
这不只是一幅地质图,还是一套中国自主的图例标准。
2026-08-07 09:48
最近不少“中国神器”在全球刷屏。这些出圈的国货新品,早已摆脱低端代工、低价走量的旧标签,折射出中国制造的创新迭代与品质跃升。国货新品不断出圈、新产业蓬勃发展的背后,是中国制造的硬核实力。
2026-08-07 09:47
今年7月,国家药监局批准全球首个选择性食欲素2型受体激动剂上市,用于治疗16岁及以上青少年和成人1型发作性睡病。5月,恒瑞医药与百时美施贵宝达成新药授权合作,确定性付款9.5亿美元……今年以来,我国新药的好消息不断。
2026-08-07 09:47
在数据要素赋能方面,2025年国家数据局发布了100个公共数据“跑起来”示范场景,联合19个部门组织举办2025年“数据要素×”大赛并发布241个典型案例。
2026-08-07 09:46
加载更多