新研究稱宇宙可能會「很快」停止膨脹

2022年05月06日11:44
宇宙大爆炸幾億年後,恒星在早期宇宙中形成(想像圖)
宇宙大爆炸幾億年後,恒星在早期宇宙中形成(想像圖)

  一項新的研究表明,宇宙可能會在“短短”1億年之內開始縮小。這項發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上的研究指出,宇宙在經曆了近138億年不間斷的膨脹後,可能很快就會停止膨脹,然後開始緩慢收縮。

  在這篇新論文中,三位科學家基於過去對宇宙膨脹的觀察,試圖對暗能量的本質進行建模。暗能量是一種可能導致宇宙加速膨脹的神秘力量。在該團隊的模型中,暗能量不是一種持續的自然力,而是一種被稱為“第五元素”(quintessence)的假設形式,可以隨著時間的推移而衰減。

  研究人員發現,儘管宇宙的加速膨脹已經持續了數十億年,但暗能量的排斥力可能正在減弱。根據他們的模型,宇宙的加速膨脹可能在接下來的6500萬年里迅速終結,然後在1億年內,宇宙可能完全停止擴張。屆時,宇宙可能會進入一段緩慢收縮的時期,並在數十億年後迎來時間和空間的“死亡”——或者“重生”。

  這項研究的作者之一、美國普林斯頓大學普林斯頓理論科學中心主任保羅·斯坦哈特表示,這一切可能會“非常迅速”地發生。“回到6500萬年前,那是希克蘇魯伯小行星撞擊地球,恐龍滅絕的時候,”斯坦哈特說,“在宇宙尺度上,6500萬年是非常短的。”

  加拿大不列顛哥倫比亞大學的物理學和天文學教授加里·欣肖沒有參與這項研究,但他表示,這個理論並不存在太多爭議或不可信的地方。然而,由於該模型僅依賴於過去對宇宙膨脹的觀察,加上科學家對宇宙中暗能量的性質仍缺乏瞭解,因此這篇論文中的預測目前還無法驗證,只能停留在理論層面。

  虛空中的能量

  自20世紀90年代以來,研究人員已經瞭解到宇宙膨脹正在加速;相比數十億年前,星系之間的正在以更快的速度擴大。科學家將導致這種加速膨脹的神秘力量命名為暗能量——一種似乎與引力相反的無形實體,可以將宇宙中最大的物體彼此推得更遠,而不是將它們拉到一起。

  儘管暗能量約占宇宙總質能的70%,但其性質仍然是一個謎。阿爾伯特·愛因斯坦提出的廣義相對論認為,暗能量其實是一個宇宙學常數,是一種編織在時空結構中、永恒不變的能量形式。如果是這樣的話,暗能量施加的力就永遠不會改變,宇宙的膨脹就應該會永遠持續下去(並一直加速)。

  然而,另一個與廣義相對論競爭的理論認為,暗能量不一定是恒定的,才能符合以往對宇宙膨脹的觀測結果。相反,暗能量可能是所謂的“第五元素”,即一種隨時間變化的動態場。1998年,有三位科學家在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發表了一篇關於這一概念的論文,斯坦哈特就是其中之一。

  與宇宙常數不同,“第五元素”既可以是排斥的,也可以是吸引的,這取決於其在特定時間的動能和勢能的比例。在過去的140億年里,“第五元素”是排斥性的。斯坦哈特表示,在140億年的大部分時間里,“第五元素”與輻射和物質相比,對宇宙膨脹的貢獻並不大。這種情況在大約50億年前發生了改變,當時“第五元素”成為了宇宙的重要組成部分,其引力排斥效應導致宇宙加速膨脹。

  “我們在這篇論文中提出的問題是:這種加速必須永遠持續下去嗎?”斯坦哈特說,“如果不是,有什麼其他可能,情況會多快發生變化?”

  暗能量的“死亡”

  在研究中,斯坦哈特和兩位同行——紐約大學的安娜·伊堯什和普林斯頓大學的科斯明·安德烈——預測了“第五元素”的屬性在未來幾十億年里會如何變化。為了做到這一點,該團隊創建了一個“第五元素”的物理模型,展示了其隨時間推移而表現出來的排斥和吸引作用,以符合過往對宇宙膨脹的觀測結果。如果這一模型能夠可靠地再現宇宙的膨脹歷史,他們就可以將預測結果擴展到未來。

  “讓人驚訝的是,他們模型中的暗能量可以隨著時間推移而衰減,”欣肖說,“暗能量的力量會減弱。如果確實如此的話,那麼最終暗能量的反引力特性會消失,它會轉變回更像普通物質的東西。”

  根據該團隊的模型,暗能量的排斥力可能在數十億年前就開始快速衰減。在這種情況下,如今宇宙的加速膨脹已經放緩了。很快,也許在大約6500萬年之內,這種加速可能就會完全停止;然後,從現在開始,在不到1億年的時間里,暗能量就會轉變為具有引力作用,導致整個宇宙開始收縮。換句話說,在經曆了近140億年的膨脹之後,宇宙空間可能會開始收縮。

  “這將是一種非常特殊的收縮,我們可以稱之為緩慢收縮,”斯坦哈特說,“空間不再擴張,而是以非常緩慢的速度收縮。”

  斯坦哈特表示,起初宇宙收縮的速度會非常緩慢,以至於地球上的人類(如果到時還存在的話)都不會注意到任何變化。根據該團隊的模型,宇宙需要幾十億年的緩慢收縮,才能達到今天的一半大小。

  宇宙的終結?

  斯坦哈特表示,當宇宙收縮到今天的一半大小時,可能會發生兩種情況。一種情況是,宇宙一直收縮,直到自身在一場“大擠壓”中崩塌,使我們所知的時空終結。另一種情況是,宇宙的收縮剛好會使其回到類似最初條件的狀態,然後發生另一場“大爆炸”——或者稱為“大反彈”——在舊宇宙的灰燼中誕生一個新的宇宙。

  斯坦哈特和另一位同行在2019年發表於《物理快報B》(Physics Letters B)的一篇論文中描述了第二種情況,指出此時的宇宙將遵循一種膨脹、收縮、擠壓和反彈的週期性模式,在這種模式中不斷坍縮和重塑。如果確實如此,那我們現在的宇宙可能就不是第一個或唯一的宇宙,而只是在之前膨脹或收縮的無限宇宙系列中最新的一個宇宙。斯坦哈特表示,所有這一切都取決於暗能量多變的本質。

  那麼,斯坦哈特等人的描述有多可信?欣肖認為,新論文對於“暗能量是什麼”的解釋是一個十分合理的假設。他補充道,由於我們對宇宙膨脹的所有觀測都來自於距離地球數百萬到數十億光年的物體,因此目前的數據只能告訴我們宇宙的過去,而不是它的現在或未來。宇宙很可能正在快速走向收縮,但我們只有在收縮階段開始很久之後才能知道。

  遺憾的是,斯坦哈特也承認,目前還沒有什麼方法能夠測試“第五元素”是否真實存在,或者宇宙膨脹是否已經開始放緩。這還只是一個將理論與過往觀察結果相匹配的嚐試,研究作者在新論文中也很好地做到了這一點。未來等待我們的,究竟是無盡的宇宙膨脹還是(宇宙尺度上)的快速收縮,只有時間才能告訴我們答案。(任天)

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