宇宙的终极命运会怎样？它由谁主宰？

大脚吴妈

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”。


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。


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。


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。


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。