我们已经进入了宇宙最后的时代？

霓小沫儿

尽管许多人认为宇宙是从一个奇点开始的，但我们依旧无法确定。然而，我们可以根据宇宙在特定时期所具有的特性，将宇宙分成不同的时代。


今天的宇宙和昨天不一样。随着时间的流逝，一些细微但重要的变化发生了，即使其中许多变化在人类可测量的时间尺度上是无法察觉的。宇宙在膨胀，这意味着宇宙结构之间的距离随着时间而增加。
但这些细微的变化都是在巨大的宇宙时间尺度上累积起来的，而且影响的不仅仅是距离。随着宇宙的膨胀，辐射、物质、中微子和暗能量的相对重要性都发生了变化。在天空中看到的也会发生巨大的变化。我们可以把宇宙分成六个不同的时代，而我们已经进入了最后一个时代！


随着宇宙的膨胀，物质的密度会降低，但辐射也会变得更弱，因为它的波长会被拉伸得更长。另一方面，如果暗能量的密度像现在所认为的那样，作为空间本身固有的能量的一种形式，那么它的密度将保持不变。
原因可以从上面的图表中理解。宇宙中存在的一切都有一定的能量，如物质、辐射、暗能量等。当宇宙膨胀时，这些形式的能量所占的体积会发生变化，而每一种形式的能量密度都会以不同的方式进化。如果我们用变量a定义可观测视界，则：
物质的能量密度将演化为1/a^3，因为密度只是质量除以体积，而质量可以通过E = mc^2很容易地转化为能量，辐射的能量密度将演化为1/a^4，因为密度是粒子的数量除以体积，随着宇宙的膨胀，每个光子的能量会拉伸，增加一个与物质相关的额外因子1/a，而暗能量是空间本身的一种属性，所以它的能量密度保持不变(1/a^0)。


膨胀宇宙的历史包括一整套的数据，包括对轻元素和宇宙微波背景的观测，只留下大爆炸作为我们所看到的一个有效解释。当宇宙膨胀时，它也会冷却，使离子、中性原子最终形成分子，气体云、恒星，最后形成星系。
通过将物理定律应用到宇宙中，并将可能的解决方案与我们所获得的观察和测量结果进行比较，我们可以确定我们从哪里来，又要去哪里。过去的历史可以追溯到热大爆炸的开始，我们也可以预见一切存在的最终命运。


我们整个宇宙的历史在理论上都被很好地理解了，但这仅仅是因为我们理解了它背后的万有引力理论。光将永远继续在这个不断膨胀的宇宙中传播，我们需要探测到更暗亮度和更长波长的光，才能继续看到可见的物体，但这些都是技术上的限制，而不是物理上的限制。
当我们根据宇宙的行为划分界限时，我们发现将会有六个不同的时代。
1.膨胀时代、2.原始汤的时代、3.等离子体时代物质、4.黑暗时代、5.恒星时代度、6.暗能量时代。数十亿年前，我们已经进入了这个最后的时代。


在膨胀期间，时空本身在量子尺度上的波动被拉伸。膨胀是否源于最终的奇点尚不清楚，但它是否发生的特征在我们可观测的宇宙中是可以验证的。
（1）膨胀时代。在大爆炸之前，宇宙中没有物质、反物质、暗物质或辐射。它没有填充任何类型的粒子。相反，它充满了一种空间本身固有的能量形式，导致宇宙以指数增长的方式膨胀。
它将宇宙从任何几何形状拉伸到一种与空间无法区分的状态。
它将宇宙中一个因果相连的区域扩展到一个比我们现在可见的宇宙大得多的区域。
它带走了所有可能存在的粒子，并迅速膨胀，以至于没有一个粒子留在可见宇宙的区域内。
而在膨胀期间发生的量子涨落创造了结构的种子，从而形成了今天庞大的宇宙网络。
然后，突然间，138亿年前，膨胀结束了。所有这些能量，曾经是空间本身固有的，都转化成了粒子、反粒子和辐射。随着这种转变，膨胀时代结束了，大爆炸开始了。
（2）原始汤的时代。一旦膨胀的宇宙充满了物质、反物质和辐射，它就会冷却。当粒子碰撞时，它们会产生任何物理定律所允许的粒子—反粒子对。主要的限制只来自于碰撞的能量。
随着宇宙冷却，能量下降，越来越难产生更大质量的粒子-反粒子对，但湮灭和其他粒子反应仍在继续。大爆炸后1到3秒，反物质全部消失，只留下物质。大爆炸后3—4分钟，稳定的氘形成，轻元素发生核合成。在一些放射性衰变和一些最终的核反应之后，所剩下的就是一个由光子、中微子、原子核和电子组成的等离子体。


一旦宇宙足够冷却，并且缺乏高能光子，它们就不能与中性原子相互作用，而只能是自由流。
（3）等离子体的时代。一旦这些轻核形成，它们就是宇宙中唯一带正电的物体，而且它们无处不在。当然，它们被等量的负电荷平衡。原子核和电子形成原子，所以这两种粒子会立即找到彼此，形成原子并为形成恒星铺平道路，这似乎是很自然的。
不幸的是，它们的数量远远超过光子。每当一个电子和一个原子核结合在一起时，一个足够高能量的光子就会出现并把它们炸开。直到宇宙从数十亿度急剧冷却到数千度，中性原子才最终形成。
在等离子体时代初期，宇宙的能量含量主要由辐射决定。到最后，它由正常物质和暗物质主导。第三阶段是大爆炸后38万年。


在恒星或星系形成之前，宇宙中充满了阻挡光线的中性原子。第一次主要的再电离波发生在大爆炸2.5亿年左右，而一些恒星可能在大爆炸后的5000万年到1亿年才形成。
（4）黑暗时代。有了这些中性原子的存在，我们现在所知道的可见光将在整个天空中都是看不见的。为什么？因为中性原子，特别是以宇宙尘埃的形式存在的中性原子，在阻挡可见光方面非常出色。
为了结束这些黑暗时代，星系间的介质需要重新电离。这需要大量的恒星形成和大量的紫外线光子，这需要时间和引力。第一个主要的再电离区域发生在大爆炸之后的2—2.5亿年，但是平均来说，再电离直到宇宙5.5亿年才完成。在这一点上，恒星的形成速度仍在增加，而第一个巨大的星系团才刚刚开始形成。


通过带着一个新的科学目标再次观测它们，哈勃的野牛计划将获得到这些星系的距离，使我们能够更好地了解星系是如何在宇宙中形成。
（5）恒星的时代。一旦黑暗时代结束，宇宙对星光是透明的。恒星、星系团、星系、星系团以及不断扩大的宇宙网络都在等待着被发现。在能量方面，宇宙由暗物质和正常物质主导，引力束缚的结构继续变得越来越大。
恒星形成的速度不断上升，在大爆炸后约30亿年达到顶峰。在这一点上，新的星系继续形成，现有的星系继续增长和合并，星系团吸引越来越多的物质进入它们。但是星系中自由气体的数量开始下降，因为大量的恒星形成已经消耗了大量的自由气体。恒星形成速度缓慢而稳定地下降。
随着宇宙膨胀，物质密度下降，一种新形式的能量——暗能量——开始出现并占据主导地位。宇宙大爆炸78亿年之后，遥远的星系在彼此的衰退中停止了减速，并开始再次加速。稍晚一点，在大爆炸92亿年之后，暗能量成为宇宙能量的主导成分。此时，我们进入了最后的时代。


在足够长的时间后，加速度将使每一个星系完全孤立在宇宙中。我们只能回顾过去来推断暗能量的存在和性质，这至少需要一个常数，它对未来的影响更大。
（6）暗能量的时代。一旦暗能量占据主导地位，一些奇怪的事情就会发生：宇宙中的大规模结构停止增长。那些在暗能量接管之前被引力束缚在一起的物体将继续被束缚，但那些在暗能量时代开始之前还没有被束缚的物体将永远不会被束缚。相反，它们只会彼此加速远离，导致孤独的存在于浩瀚的宇宙之中。
单个的束缚结构，如星系和星系群，最终会合并成一个巨大的椭圆星系。现存的恒星将会消亡，新恒星的形成将变慢，然后停止，引力相互作用将把大多数恒星推入星系间的深渊。由于引力辐射的衰减，行星将会螺旋上升进入它们的母星。即使是寿命特别长的黑洞，最终也会因史蒂芬霍金辐射而衰变。


当太阳变成一颗黑矮星后，如果没有任何物质喷射或与地球的残余物质碰撞，最终引力辐射将导致我们被太阳的残余物质吞噬。
到最后，在这个空洞、不断膨胀的宇宙中，物质稀少，彼此隔绝。这些最终状态甚至在未来数年内都将存在，并继续存在，因为暗能量依旧是我们宇宙中的主导因素。暗能量占主导地位的最后一个时代已经开始。宇宙可能有六个独特的阶段，但我们已经进入了最后一个阶段。好好看看我们周围的宇宙，因为它不会永远如此富有。