新研究称宇宙可能会“很快”停止膨胀

发表于 3年以前 | 总阅读数：652 次

宇宙大爆炸几亿年后，恒星在早期宇宙中形成（想象图）

在这篇新论文中，三位科学家基于过去对宇宙膨胀的观察，试图对暗能量的本质进行建模。暗能量是一种可能导致宇宙加速膨胀的神秘力量。在该团队的模型中，暗能量不是一种持续的自然力，而是一种被称为“第五元素”（quintessence）的假设形式，可以随着时间的推移而衰减。

研究人员发现，尽管宇宙的加速膨胀已经持续了数十亿年，但暗能量的排斥力可能正在减弱。根据他们的模型，宇宙的加速膨胀可能在接下来的6500万年里迅速终结，然后在1亿年内，宇宙可能完全停止扩张。届时，宇宙可能会进入一段缓慢收缩的时期，并在数十亿年后迎来时间和空间的“死亡”——或者“重生”。

这项研究的作者之一、美国普林斯顿大学普林斯顿理论科学中心主任保罗·斯坦哈特表示，这一切可能会“非常迅速”地发生。“回到6500万年前，那是希克苏鲁伯小行星撞击地球，恐龙灭绝的时候，”斯坦哈特说，“在宇宙尺度上，6500万年是非常短的。”

加拿大不列颠哥伦比亚大学的物理学和天文学教授加里·欣肖没有参与这项研究，但他表示，这个理论并不存在太多争议或不可信的地方。然而，由于该模型仅依赖于过去对宇宙膨胀的观察，加上科学家对宇宙中暗能量的性质仍缺乏了解，因此这篇论文中的预测目前还无法验证，只能停留在理论层面。

虚空中的能量

自20世纪90年代以来，研究人员已经了解到宇宙膨胀正在加速；相比数十亿年前，星系之间的正在以更快的速度扩大。科学家将导致这种加速膨胀的神秘力量命名为暗能量——一种似乎与引力相反的无形实体，可以将宇宙中最大的物体彼此推得更远，而不是将它们拉到一起。

尽管暗能量约占宇宙总质能的70%，但其性质仍然是一个谜。阿尔伯特·爱因斯坦提出的广义相对论认为，暗能量其实是一个宇宙学常数，是一种编织在时空结构中、永恒不变的能量形式。如果是这样的话，暗能量施加的力就永远不会改变，宇宙的膨胀就应该会永远持续下去（并一直加速）。

然而，另一个与广义相对论竞争的理论认为，暗能量不一定是恒定的，才能符合以往对宇宙膨胀的观测结果。相反，暗能量可能是所谓的“第五元素”，即一种随时间变化的动态场。1998年，有三位科学家在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了一篇关于这一概念的论文，斯坦哈特就是其中之一。

与宇宙常数不同，“第五元素”既可以是排斥的，也可以是吸引的，这取决于其在特定时间的动能和势能的比例。在过去的140亿年里，“第五元素”是排斥性的。斯坦哈特表示，在140亿年的大部分时间里，“第五元素”与辐射和物质相比，对宇宙膨胀的贡献并不大。这种情况在大约50亿年前发生了改变，当时“第五元素”成为了宇宙的重要组成部分，其引力排斥效应导致宇宙加速膨胀。

“我们在这篇论文中提出的问题是：这种加速必须永远持续下去吗？”斯坦哈特说，“如果不是，有什么其他可能，情况会多快发生变化？”

暗能量的“死亡”

在研究中，斯坦哈特和两位同行——纽约大学的安娜·伊尧什和普林斯顿大学的科斯明·安德烈——预测了“第五元素”的属性在未来几十亿年里会如何变化。为了做到这一点，该团队创建了一个“第五元素”的物理模型，展示了其随时间推移而表现出来的排斥和吸引作用，以符合过往对宇宙膨胀的观测结果。如果这一模型能够可靠地再现宇宙的膨胀历史，他们就可以将预测结果扩展到未来。

“让人惊讶的是，他们模型中的暗能量可以随着时间推移而衰减，”欣肖说，“暗能量的力量会减弱。如果确实如此的话，那么最终暗能量的反引力特性会消失，它会转变回更像普通物质的东西。”

根据该团队的模型，暗能量的排斥力可能在数十亿年前就开始快速衰减。在这种情况下，如今宇宙的加速膨胀已经放缓了。很快，也许在大约6500万年之内，这种加速可能就会完全停止；然后，从现在开始，在不到1亿年的时间里，暗能量就会转变为具有引力作用，导致整个宇宙开始收缩。换句话说，在经历了近140亿年的膨胀之后，宇宙空间可能会开始收缩。

“这将是一种非常特殊的收缩，我们可以称之为缓慢收缩，”斯坦哈特说，“空间不再扩张，而是以非常缓慢的速度收缩。”

斯坦哈特表示，起初宇宙收缩的速度会非常缓慢，以至于地球上的人类（如果到时还存在的话）都不会注意到任何变化。根据该团队的模型，宇宙需要几十亿年的缓慢收缩，才能达到今天的一半大小。

宇宙的终结？

斯坦哈特表示，当宇宙收缩到今天的一半大小时，可能会发生两种情况。一种情况是，宇宙一直收缩，直到自身在一场“大挤压”中崩塌，使我们所知的时空终结。另一种情况是，宇宙的收缩刚好会使其回到类似最初条件的状态，然后发生另一场“大爆炸”——或者称为“大反弹”——在旧宇宙的灰烬中诞生一个新的宇宙。

斯坦哈特和另一位同行在2019年发表于《物理快报B》（Physics Letters B）的一篇论文中描述了第二种情况，指出此时的宇宙将遵循一种膨胀、收缩、挤压和反弹的周期性模式，在这种模式中不断坍缩和重塑。如果确实如此，那我们现在的宇宙可能就不是第一个或唯一的宇宙，而只是在之前膨胀或收缩的无限宇宙系列中最新的一个宇宙。斯坦哈特表示，所有这一切都取决于暗能量多变的本质。

那么，斯坦哈特等人的描述有多可信？欣肖认为，新论文对于“暗能量是什么”的解释是一个十分合理的假设。他补充道，由于我们对宇宙膨胀的所有观测都来自于距离地球数百万到数十亿光年的物体，因此目前的数据只能告诉我们宇宙的过去，而不是它的现在或未来。宇宙很可能正在快速走向收缩，但我们只有在收缩阶段开始很久之后才能知道。

遗憾的是，斯坦哈特也承认，目前还没有什么方法能够测试“第五元素”是否真实存在，或者宇宙膨胀是否已经开始放缓。这还只是一个将理论与过往观察结果相匹配的尝试，研究作者在新论文中也很好地做到了这一点。未来等待我们的，究竟是无尽的宇宙膨胀还是（宇宙尺度上）的快速收缩，只有时间才能告诉我们答案。