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

  • 习近平参观百团大战纪念馆

  • 中国人民抗日战争纪念馆8日起恢复开放

独家策划

推荐阅读
国家自然科学基金委员会7日发布消息,自然科学基金委近日制定重大非共识项目试点实施方案,将在2025年启动资助试点。
2025-07-08 09:20
近日,由农业农村部南京农业机械化研究所联合有关单位研制的全自动水稻覆膜插秧技术装备在江苏省靖江市投入使用,开启了我国水稻覆膜插秧新模式。
2025-07-08 09:11
日前,全球领先的720V高压固态钠盐电池,在位于内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗的建亨奥能科技有限公司正式量产,标志着中国成为全球第三个实现固态钠盐电池商用量产的国家。
2025-07-08 09:10
从国家自然科学基金委员会获悉,该委日前制定了重大非共识项目试点实施方案,将在2025年启动资助试点。
2025-07-08 05:05
什么是聚乳酸材料,在取代传统石化基塑料材料方面又有着怎样的优势?本期院士科普,让我们跟随中国科学院院士陈学思,一起走进生物降解高分子材料——聚乳酸的奇妙世界。
2025-07-07 14:19
科技的力量正让农民从传统体力劳动者向掌控全局的智慧决策者转变。
2025-07-07 12:33
在未来数十年,熟练使用人工智能很可能成为大多数职业的必备技能,并深刻影响就业市场。作为经济土壤中的“超级肥料”,新技术既带来传统岗位的替代,更促进新兴产业发展,直接创造新的岗位需求。
2025-07-07 09:12
抽水蓄能机组主要由发电电动机和水泵水轮机组成,利用山上山下两个水库进行水能和电能相互转换。
2025-07-07 09:11
回溯歼—10飞机研制历程,从立项、首飞到定型,历经数十载,“三滴油”看起来微不足道,却更加说明创新需要点滴用心、长期耕耘。
2025-07-07 09:10
从微小的夸克到浩瀚的宇宙,从生命的密码到自然的规律,科学这双“慧眼”不断重新定义着“可见”与“可知”的边界。从墓室中的真菌到实验室里的潜在新药,科学家用一套跨学科方法挖掘出这个隐藏在自然界的分子宝藏。
2025-07-07 09:08
在6日开幕的中国科协年会上,2025重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题正式发布。这凝聚科技界智慧的30项问题、难题“锁定”了哪些前沿领域的核心赛道?其遴选标准蕴含着怎样的科学智慧?带着这些问题,记者专访了丛斌、邹冰松、王小云、陈坚四位院士。
2025-07-07 03:10
2025全球数字经济大会2日在北京开幕。除收录标准的优势外,东壁全球科技文献数据平台还根据中国科技界与教育界的习惯,对所收录期刊进行了学科分类。
2025-07-04 09:55
超材料是一类具有特殊性质的人造材料,而具有热辐射性能的超材料可以把多余的热量“打包”传递到外界,热辐射超材料可广泛应用于零能耗辐射冷却、建筑节能降温、航天热控等诸多重要领域。
2025-07-04 09:53
中国科学院院士、海南大学生物医学工程学院教授骆清铭团队成功绘制出了小鼠三维脑区和立体定位图谱
2025-07-04 09:52
7月4日,神秘的水星将迎来东大距,这是今年第二次水星东大距,观测条件依然不错。
2025-07-04 09:51
科学是生产力的核心要素。
2025-07-04 09:50
钙钛矿太阳能电池因成本低、效率高、易加工等优势备受关注,可应用于光伏发电、车载光伏、光伏建筑等领域。
2025-07-03 09:59
目前,对于10厘米以上大型空间碎片,航天器通常采用主动规避的策略,通过轨道调整,避开可能的碰撞路径。
2025-07-03 09:58
6月26日,中国民航局官网发布公告,提到为切实保障航空运行安全,自2025年6月28日起,禁止旅客携带没有3C标识、3C标识不清晰、被召回型号或批次的充电宝乘坐境内航班。
2025-07-03 09:56
加载更多