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宇宙终结之因——宇宙的膨胀

大约一个世纪前,我们甚至不知道星系的存在。

然后,在1910年,天文学家探索出如何测量他们在天空中所观测到的、可以称为“螺旋星云”的那些物质的距离。虽然在我们看来,这些星系就像气体云团,但科学家们知道,它们是包含数十亿颗恒星的整个星系,它们真的很遥远。

图解:从史匹哲太空望远镜拍摄到的螺旋星云的红外线影像

一旦我们了解了星系是什么,我们就会发现它们都是在远离彼此的,而那些距离我们更远的星系会移动得更快——换句话说,宇宙是正在膨胀的。

宇宙的膨胀无处不在——所有的点都在远离彼此。

从那时起,问题就一直存在:宇宙会永远膨胀?还是有一天它会在“大挤压”中再次坍缩?

图解:从大爆炸形成的宇宙演化图解(左)。在这幅图中宇宙以二维呈现,第三维度是时间,向右是时间流动的方向。

这就是令人困惑的原因所在:因为重力会减缓膨胀的速度。所有星系之间相互作用的方式,都与地球拉着我们的方式相同,也就是当我们跳跃的时候,引力会把我们拉回来。

当我把一个球抛到空中时,起初它可能运行得很快,但随后它会减速,最终停止上升并落回地球。

图解:绘图显示,宇宙是否稳定,还是只是长寿泡沫,这要依希格斯玻色子与顶夸克的质量而定。直至2012年为止,从兆电子伏特加速器与大型强子对撞机实验数据得到的2σ椭圆,仍旧允许这两种可能结局。

然而,如果我把它扔得足够快,让它以每秒11公里以上的速度行进(这是非常快的!),那么它就永远不会回到地球了。它就会具有所谓的“逃逸速度”——这是一种地球引力不足以把球拉回来的速度。

图解:宇宙的最终命运取决于物质密度ΩM以及暗能量密度ΩΛ.

如果我在月球上,这就会变得更容易,因为月球的质量更小:它几乎比地球轻100倍。这就意味着月球质量小所以产生的引力就小,因此即使把球扔得更慢,但是它仍然能够逃脱月球的引力。每秒仅2公里的速度就可以做到。

所以,问题就变成:所有的星系到底有多重?它们是否以足够快的速度远离彼此,从而具有“逃逸速度”?如果是这样话,那么宇宙将会永远膨胀。

在大爆炸之后,一切都在膨胀。

图解:宇宙的历史 - 引力波是假设来自大统一理论,超光速就在大爆炸之后(2014年3月17日)。

我们不得不等到20世纪90年代,那个时代的测量已经变得足够精确从而可以找出答案。而答案却令人惊讶。当天文学家最终测量出膨胀是如何变化时,他们发现引力实际上根本没有减缓膨胀的速度。事实上,膨胀是正在加速的!

图解:哈勃超深空场描绘了远古时代的星系图景,根据大爆炸理论,它们处于一个更年轻、更致密且更炽热的宇宙。

这有点疯狂,因为这意味着引力产生了反作用:某种物质在推动星系相互远离。这就像我把一个球轻轻地扔到空中,却看着它加速进入太空一样奇怪。

虽然我们不知道是什么导致了加速,但我们还是给它命名为暗能量。

图解:威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)拍摄到宇宙在大爆炸发生后宇宙微波背景的影像

即使我们实际上并不知道暗能量是什么,但是我们现在依然可以回答最初的问题——是的,宇宙将会永远膨胀,我们将经历“大冻结”,而不是“大挤压”。

星系之间的距离会越来越远,宇宙会变得越来越冷,最终我们所在的星系群以外的任何星系都会变得如此微弱和遥远,以至于我们根本看不见它们——甚至它们散发出的光都无法到达我们这里。

图解:宇宙的整体几何形状取决于相对临界密度Ω0值大于、等于还是小于1。图中从上至下所示为具有正曲率的封闭宇宙、具有负曲率的双曲面宇宙和具有零曲率的平坦宇宙。

甚至有可能加速也会变得非常极端,以致于撕裂我们自己的星系,甚至能够撕裂原子……最终摧毁我们所有人。这就是所谓的“大裂口”。不过,最有可能的是,我们将面临一场灾难性的冻结。

因此,宇宙虽然会存在很长时间,但是宇宙的未来将是寒冷和黑暗的。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. theconversation-李可

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文章来源:偶然发现的一天好看

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