宇宙如何起源又如何毁灭？面对宇宙难题，人类与科学从不放弃探索

buffona

勇攀高峰

人类很喜欢勇攀高峰，在科学上，面对任何学术性还是理论性难题，人类从未退缩——直到遇到了宇宙，这是一个巨大的挑战。宇宙何其大，大的简直超越了我们的想象，世界科学家每天都在研究关于宇宙的一切……神秘的暗物质暗能量，宇宙万物的起源，还有宇宙的终结，宇宙中那些匪夷所思的超巨大结构等等……

哈勃拍摄了10年才拍摄到的宇宙超深空图片，视野内可见星系达到了5500个，可以说一个像素点就是一个星系

这一切，都要从这里开始，从上面一曲星空乐开始，接下来让我们跟随星空乐和面向宇宙的文字，一起来看那神奇的宇宙。

宇宙起源

其实在最初的三分钟里，宇宙是一个忙碌的地方。我们今天看到的宇宙从一个无限致密的点膨胀到它现在的巨大尺寸……基本粒子首先出现了，质子和中子结合成第一个原子核，宇宙中充满了现代宇宙元素的前体。

宇宙的“进化”历史，从微观粒子时代，到现在的宇宙，我们的太阳

通过人类科学智慧，并利用粒子对撞机、望远镜和卫星进行实验，物理学家们已经能够将宇宙的历史上溯到数十亿年前，并窥见我们宇宙家园历史最初时刻的细节。

以下是一段简短的历史回顾：

普朗克时代：10的负34次方秒

欢迎来到普朗克纪元，普朗克纪元是以当今粒子物理学中可能存在的最小测量尺度而命名的。这是目前科学家能得到的最早的时间开端，未来科学家还可能追溯到更微小的开端。

理论物理学家对宇宙的最初时刻知之甚少。在“大爆炸”理论大受欢迎之后，科学家们认为，在最初的时刻，宇宙处于最热、密度最大的状态，所有四种基本力——电磁、弱、强和引力被合并成一个单一的、统一的力，而这单一的，统一的力形成了一个点。

NASA2023年发射的名为SPHEREx太空望远镜将洞察宇宙的过去，直到宇宙的微观粒子时代，观测宇宙，从未停止

宇宙的膨胀：10的负36次方秒开始至下一个阶段

在这个阶段，即普朗克时期或之后不久，科学家们认为宇宙经历了超快的指数膨胀，这个过程也被称为加速膨胀过程。理论物理学家在20世纪80年代首次提出膨胀理论，是为了解决大爆炸理论的不足之处。

在膨胀期间，量子涨落可能会延伸，产生一种模式，这种模式后来决定了星系的位置。也许只有在这段膨胀期之后，宇宙才会像《生活大爆炸》影视作品中描述的那样，变成一个又热又密的火球。

宇宙的模型渲染图

基本粒子诞生了：10的负36次方秒

当宇宙还很热的时候，宇宙就像一个巨大的加速器，比大型强子对撞机强大得多，以极高的能量运行。在其中，我们今天所知道的基本粒子诞生了。

科学家们认为首先出现的是未知粒子，然后是更熟悉的粒子，如电子、中微子和夸克。另外，科学家推测暗物质粒子或者暗物质是在这段时间同时出现的。

夸克很快结合起来，形成我们熟悉的质子和中子，它们统称为重子。中微子能够逃离带电粒子的等离子体，开始在空间中自由移动，而光子则继续被等离子体捕获。

人类，时空隧道和宇宙，艺术图

第一个原子核出现：约等于1秒至3分钟过程

科学家们数据显示，当宇宙冷却到足以让猛烈的粒子碰撞期平息下来时，质子和中子就会聚集成轻元素的原子核——氢、氦和锂，这一过程被称为大爆炸核聚变。

由于质子的质量较低，所以它比中子更稳定。事实上，自由中子衰变的半衰期为15分钟，而据我们所知，质子可能根本不会衰变。

所以当粒子结合时，许多质子仍然没有配对。结果，氢质子就占我们宇宙中重子物质质量的74%左右。第二丰富的元素是氦，约占24%，其次是微量的氘、锂和氦-3，氦有一个三重子核。

科学家们已经能够精确地测量宇宙中重子的密度。这些测量数据大多与理论学家对锂含量的估计相符，但现在对于宇宙重子测量还有一个问题，那就是锂含量的计算相差了三倍。可能是测量数据有误，但也可能是在这段时间里发生了一些我们还不知道的事情改变了锂的丰度。

宇宙微波背景变得可见：380000年

经过几十万年的膨胀，早期的粒子宇宙已经冷却到足够让电子与原子核结合形成电中性原子。通过这个过程，也被称为重组，光子自由地穿越宇宙，创造了宇宙微波背景。

现在，宇宙微波背景辐射是宇宙学家研究宇宙最有价值的工具之一。宇宙学家探索宇宙的深处，寻找宇宙中许多悬而未决的秘密的答案，包括膨胀的本质和暗物质，还有反物质不对称原因。

我们现在观察到的是宇宙微波辐射背景，图像正中心是我们，半径等于光从宇宙中走过的距离，它从宇宙诞生之后38万年就出现了。随着时间的推移，微波辐射背景也会发生变化

在宇宙微波背景辐射被探测到后不久，中性氢粒子就形成了充满宇宙的气体。没有任何物体发射出高能量光子，宇宙就陷入了数千万年的黑暗时代。

最早的一批恒星诞生：1亿年

随着第一批恒星的形成和再电离的出现，黑暗时代结束了。再电离是一种高能光子从中性氢原子上剥离电子的过程。

科学家们认为绝大多数电离光子来自最早的恒星。但是其他的过程，比如暗物质粒子之间的碰撞，也可能起到了一定的作用。

在这个时候，物质开始形成第一个星系。所以我们自己的星系，银河系，还有银河系包含的恒星诞生时，宇宙只有几亿岁。

太阳诞生：92亿年

太阳是银河系中几千亿颗恒星中的一颗。科学家们认为它是由一团主要由氢和氦组成的巨大气体云形成的。

现代宇宙：138亿年

普朗克太空天文台用红外线观测到的银河系全天图像，这张图片为我们展示了银河系的光能分布。

今天，我们的宇宙处于2.7开尔文，也就是负270.42摄氏度的温度中。宇宙正在以一种类似于膨胀的方式以递增的速度膨胀。

物理学家认为，暗能量，这种神秘的排斥力，目前占我们宇宙能量的70%，它最有可能是推动宇宙加速膨胀特殊能量。

那么，如果我们的宇宙不是大爆炸起源呢？

那么宇宙如果不是从大爆炸开始的呢？宇宙大爆炸是一个随机事件还是一个必然事件呢？其实宇宙早期的模型不止大爆炸一种，另一个可能是，有一个前宇宙崩溃成一个奇点，然后爆炸，并产生了我们。

现在我们如何通过科学原理解释宇宙起源呢？说到这里我们不得不说说光的故事。光子在太空中飞来飞去，有一个速度限制。通过观察，我们知道星系和恒星现在正在远离彼此。宇宙正在膨胀的这个事情已经确定了，而光在远距离位移的时候会发生不同的效果，这说明宇宙正在膨胀。

宇宙的边缘，想象图，艺术图

我们可以这样想，想象前方有一面墙，而你一直想要摸到这面墙，但是你却永远也碰不到，这就是膨胀的宇宙。

那么宇宙从诞生开始就只有膨胀吗？宇宙奇点阶段之前会不会存在一个宇宙的紧缩时期呢？这样考虑的话，宇宙就成为了永恒，无限次的膨胀与紧缩带来的是不知道边界而且在时间上永恒的宇宙。现代科学家认为如果永恒宇宙理论存在，那么我们无法理解的奇点或许也是宇宙的一个存在形式。

宇宙起源与量子引力学

当今的物理学无法描述大爆炸中发生的事情，物理学在宇宙奇点这种几乎无限致密和热的原始状态中失效了。理论物理学家明白想要解释宇宙奇点与宇宙为何大爆炸的秘密，需要新的量子引力学理论。将这两个基本的物理学支柱结合在一起，才能对宇宙的起源提供一个研究方向。

位于普朗克引力物理研究所和加拿大的周界研究所的科学家沿着这条研究路线做出了一个重要的发现。根据理论，空间就好像由许多微小的“积木”组成。以这一点为出发点，科学家们得出了宇宙学最基本的方程式之一，弗里德曼方程，它描述了宇宙。这说明量子力学和相对论确实是可以统一的。

近一个世纪以来，两种主要的物理学理论共存但又不可调和：爱因斯坦的广义相对论描述了引力，因此描述了整个世界，而量子物理学则描述了原子和基本粒子的世界。这两种理论在各自的范围内运作得非常好。然而，正如之前所描述的那样，在某些极端地区，在极小的距离下，所谓的普朗克尺度就会被分解。因此，空间和时间在奇点中毫无意义。

纵观宇宙发展过程

爱因斯坦研究所的科学家Daniele Oriti计划用一种流体来说明这种情况：“我们可以用久负盛名的经典流体力学理论来描述流水的行为。但是，如果我们前进到越来越小的尺度，并最终遇到单个原子，它就不再适用了。那我们就需要量子物理学。”正如液体由原子组成一样，Oriti想象空间由微小的细胞或“空间的原子”组成，需要一种新的理论来描述它们，那就是量子引力。

在爱因斯坦的相对论中，空间是一个连续体。Oriti现在将这个空间分解成微小的基本单元，并将量子物理原理应用于它们，从而应用于空间本身和描述它的相对论。这就是统一的理念。

那些匪夷所思的宇宙结构

说到宇宙，大家第一反应就是太大了……没错，接下来我们就一起来看看最具代表性的宇宙结构。

宇宙是一个巨大的真空区域，而真空区域也不代表什么都没有，宇宙中的暗能量与暗物质就是一个很好的体现，暗能量与暗物质其实才是宇宙中最大的结构，不过我们今天讨论的是重子物质，也就是可观测物质。

我们的太阳系中，太阳占据了太阳系99.86%的质量，而我们的太阳系是许多气体与尘埃的巨大结构。在银河系中又有数千亿颗太阳一样的恒星存在……看到这里大家可能就已经晕了，不过现实是银河系只是宇宙中的一个小结构，因为宇宙中星系实在是太多了……

武仙北冕座长城想象结构图，武仙北冕座长城结构太大，人类观测设备无法提供真实图片

宇宙中最大的结构名叫武仙北冕座长城，它有近100亿光年的范围，也可以叫它GRB长城。这个结构超过了以前的记录保持者，大型类星体群，它是一个由73颗类星体组成的星团，规模有40亿光年之大，武仙北冕座长城是大类星体群规模的两倍还多。

武仙北冕座长城的神秘之处在于它看起来太大了，理论上是不可能存在的，所以天文学家解释说这么大的结构不可能是大爆炸的残余，也不可能是物质聚结的结果。更令人困惑的是，武仙北冕座长城似乎正在变得越来越大。因为武仙北冕座长城是以相对恒定的速率检测到的，这意味着武仙北冕座长城的大小正在缓慢增长。

宇宙从来都没有让我们失望，宇宙之大无奇不有，还有一个宇宙结构很巨大，但是更奇怪，它不是物质最大最密集的区域，而是物质缺失的最大区域：超空区。

直径18亿光年的空洞，在宇宙微波辐射背景上的比例图

超空区是宇宙中一个巨大的区域，直径约为18亿光年。与武仙北冕座长城相比，超空区的大小小了很多。虽然大家感觉这个地方是空的，但是这个空间区域并不是真正空的，它稀疏地散布着星系和暗物质，但是这个区域的物质密度明显低于所有其他空间区域。

大爆炸是一种时空的扩展，它在扩大程度上是一致的，统一的，在各个方向都是相同的，扩展得很完美。然而，并非所有地方都是一成不变的。偶尔也会出现亚原子尺度上的微小缺陷。

规模为一亿光年的牧夫座巨洞，虽然比超空区规模小了很多，但是仍然令人惊叹

宇宙中的超空区不止一个，很奇怪的巨大结构，天文学家解释了这些空洞的量子缺陷效应是如何支配这些超空区的。也就是说在最初，它是一个小空洞，但随着宇宙的膨胀，它变成了一个巨大的区域，失去了成千上万的星系。另外因为这个地区缺乏物质，这也使得它比周围地区更冷。

这两个巨大结构，性质几乎截然相反，是主宰着宇宙中最大结构和最大空隙位置的巨人。他们难以想象的浩瀚足以使任何人谦卑。与此同时，天文学家和望远镜正忙着扫描天空。谁知道呢？也许他们会发生更大的事情。

宇宙的最终命运——终结

放眼当今的宇宙，我们所能找到的一切都很让人敬畏。我们夜空中的星星只是我们银河系中存在的数千亿颗恒星中的一小部分，也就是才几千颗。银河系本身也只是一个孤零零的星系，存在于可观测的宇宙中的数万亿个星系中，宇宙向四面八方延伸了大约460亿光年，直径甚至可达920亿光年至940亿光年左右。

未来，宇宙的三种结局

放在永恒的时间尺度上，没有任何事物是可以永远存在的

正如前文提到的，这一切都是在138亿年的大爆炸事件开始的。这是我们第一次将我们的宇宙描述为充满物质和辐射的状态，从已知的物理定律出发，我们就可以解释宇宙是如何形成现代形态的。但它仍然在膨胀，形成新的恒星，并在不断变化。它将以什么形式结束？这是我们所要考虑的。

长期以来，研究宇宙结构和演化的科学家从广义相对论和宇宙微波辐射背景出发，考虑了三种可能性。一方面，万有引力能把所有的东西联系在一起，它是一种吸引的力量，它受物质和能量的支配，以不同的形式存在于宇宙中。另一方面，有最初的大爆炸的扩张速度，它把所有的物质都分开了，所以结果如下……

宇宙大收缩：膨胀迅速开始，大量的物质和辐射作用把一切都拉回了一起。如果有足够的物质和能量，宇宙将膨胀到一些最初的大小，膨胀将逆转为收缩，而宇宙将重新开始。

无止境的膨胀——大撕裂：现在，暗能量的密度非常低，远低于地球上物质的密度，甚至银河系的密度，银河系的密度比地球低得多。但是随着时间的推移，暗能量的密度会累积起来，把宇宙撕碎。

在这期间，理论上，宇宙将变得如此巨大，以致于任何新恒星都无法形成。在这个模型下，时间变成了一个无穷无尽的空虚，没有任何事情发生，因为宇宙中几乎没有剩余的能量。

循环的宇宙，模拟图，最后宇宙将收缩成奇点

另外，宇宙一直在膨胀，而且已经确定的是膨胀速率没有下降，反而越来越快，所以未来宇宙结构都会被撕开一个大口子，宇宙结构相聚会越来越远，假设人类可以保全地球，那么地球上看到的星光会非常少，甚至没有……

第三种理论我们需要着重说一下，因为这个理论是最符合物理定理的一个结局。理论物理学认为宇宙可能由于大冻结而结束，反过来也可以叫做热死亡。这个术语来自于这样的理论：在宇宙和其他孤立系统中，熵会增加，直到达到最大值。熵来自热力学原理，它涵盖了能量，特别是指宇宙中的所有物质最终都从有序移动到无序的想法。因此，熵是衡量这种变化的尺度。

一旦熵达到最大值，理论物理学家认为系统中的热量将均匀分布。这意味着将没有更多的空间让可用的能量或热存在，而宇宙将因“热”而死亡。简单地说，宇宙内部的机械运动将停止。

宇宙收缩理论模拟图

要知道哪一个是正确的，我们所要做的就是测量宇宙膨胀的速度，以及膨胀率是如何随时间变化的。虽然物质和辐射由于宇宙体积的增大而变得没那么密集了，但是暗能量是空间本身固有的能量形式。当新空间在不断膨胀的宇宙中被创造出来时，探测暗能量密度实是现代天体物理学最伟大的任务之一。

测量宇宙膨胀的速度，天文学家和理论物理学家就可以知道今天空间的结构是如何变化的。测量膨胀率随时间的变化，天文学家就会知道空间的结构在过去是如何变化的，之后把这两条信息放在一起，膨胀的速度和速度都发生了变化，这使得天文学家可以确定宇宙是由什么组成的，以及什么比例组成的。

未来的人类

人类是很了不起的物种，一代又一代重复着相同的课题。而未来的人类，将会以不断先进，不断进步的科学面对这些宇宙级别的难题，相信人类最终可以知晓宇宙的难题，明白宇宙最终的意义。


本文选自：今日头条