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宇宙是永恒的么？
关于“宇宙”的各种问题，比如说：宇宙没有起源？宇宙有没有终局？宇宙是不是永恒的？可以说都是终极问题。今天，我们就来聊一聊：宇宙有没有尽头？
我们的古人很早就发现了一些关于“宇宙”的奥秘。比如，在中国的古代典籍《淮南子》当中就写到了：
往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。
意思是说，宇代表空间，宙代表时间。
总的来说，过去的人大多秉持的这样一种观念：宇宙是永恒的。而且这种观念根深蒂固，爱因斯坦在提出广义相对论时，就发现广义相对论的引力场方程预示着：宇宙膨胀。
但是，由于爱因斯坦一直认为“宇宙是永恒的”，于是，他给引力场场方程加了一个宇宙学常数Λ。这样宇宙学常数Λ就抵消了膨胀效应，让宇宙处于静态。
可万万没有想到，宇宙学常数Λ，也打开了人类探索宇宙尽头的大门，从此一发不可收拾。
膨胀的宇宙
爱因斯坦的信念马上遭到了天文学家哈勃的实力打脸。哈勃通过观测发现大多数的星系存在红移的现象，也就是说，它们都在离我们远去，这也预示着宇宙正在发生膨胀。
当爱因斯坦得知这个消息时，也是十分震惊，据说给引力场方程加上宇宙学常数Λ成为了爱因斯坦一生中最后悔的事。于是，爱因斯坦摒弃了宇宙学常数Λ。同样是得知宇宙膨胀的勒梅特，他开始进行反推，如果宇宙一直在膨胀，那宇宙就应该有一个开端。基于爱因斯坦的广义相对论，勒梅特提出了：
宇宙拥有一个有限的过去，并且存在这一个炽热的开端。
但是问题来了，我们可以思考一下这么一个问题，如果有一辆车A点开到B点，我们通过仪器可以测出这两点的速度，A点是10m/s，B点是20m/s，我们如何才知道这中间过程中，车子的运动是什么样子的？
实际上，情况可以有很多种，比如：
车子可以先剧烈加速在减速达到20m/s，先缓慢减速再剧烈加速到20m/s，车子可以均加速到20m/s，
其实还有很多路径，我们其实没办法确定的。同样的，宇宙的膨胀也是如此，我们知道现在的膨胀速率，知道它有一个起点，但我们并没有办法确定这中间宇宙发生了什么。
于是，勒梅特在1934年发表了一篇论文，把宇宙学常数Λ重新引入到了场方程中。
此时的宇宙学常数Λ不再是用来抵消宇宙膨胀的，而是代表与引力相反的排斥力，多说一句，这时和爱因斯坦的宇宙学常数最大的不同是取值，这个取值要稍微大一些。进一步，勒梅特还提出：
宇宙膨胀的速度并不是恒定不变的，一开始减速，因为物质的引力占了主导，后来宇宙学常数Λ所代表的排斥力占了主导，宇宙开始加速膨胀，然后一直加速下去。
爱因斯坦对于勒梅特的观点是非常赞同的，他认为这是对于宇宙起源最好的解释。事实上，勒梅特的理论很接近如今的宇宙学模型。
后来，又经过几代科学家的努力，这个理论逐渐发展成了大爆炸模型。
在这个模型中，宇宙常数可以理解成真空能，宇宙大概诞生于在138亿年前（最新观测的结果是：13.799 ± 0.021 x 10^9年），因为早期的宇宙尺度很小，引力占据了主导，膨胀不受真空能的影响，宇宙减速膨胀，达到了今天宇宙尺度的57%时，真空能才开始发挥作用，此时的宇宙膨胀速度是最慢的。后来，随着时间的推移，在距今45亿年前后，宇宙的尺寸达到现在宇宙的73%时，宇宙从减速膨胀开始转变为加速膨胀。
宇宙的终局解析
那能不能利用宇宙学常数Λ来解决宇宙的终局问题呢？由于宇宙学常数Λ并不好把控，对于宇宙终局的研究并没有那么顺利，科学家开始寻找更优的解决方案。他们发现，
确定宇宙的年龄只需要两个参数，一个是哈勃常数H，一个是宇宙质量密度ρ。
其中哈勃常数H可以通过观测星系进行测量，它代表了宇宙普遍的膨胀速率。那宇宙的质量密度ρ呢？
通过广义相对论，我们可以得到：
当一个以物质为主的宇宙停止膨胀时，所需要的宇宙密度，我们称为宇宙临界密度ρ。
之前，我们也提到，根据最新的观测，宇宙在大尺度上是平坦的，因此，我们得到宇宙临界密度的表示：
如果将哈勃常数取值为70 km/s·Mpc ,我们就可以得到宇宙临界密度是ρ=0.9×10^（-29）g/cm^3。这大概就是1立方米只有一个氢原子的水平。那这个宇宙临界密度该如何用呢？
我们可以把宇宙的实际密度和宇宙临界密度做个比值，然后就可以得到一个密度参数Ω0。
宇宙的终局
有了这个密度参数Ω0，宇宙的未来就尽在你手了。
当密度参数Ω0＞1时，意味着这是一个先膨胀后收缩的宇宙，于是，我们就会得到3个终局：
- 大挤压：这个理论认为引力最终会主导宇宙，让膨胀速率变慢，停滞，最后开始收缩，然后复归到一个奇点，将宇宙内的万物都摧毁。如果那时候宇宙内还有生命，那结局应该就是被热死（这是因为挤压过程中，宇宙会不断升温）。
- 大反弹：有人认为大挤压并不是终局，这是因为快速压缩的力量，足以触发另一次宇宙大爆炸，宇宙开始重获新生，开个玩笑，这真有点像电脑重启的感觉。
- 循环论：这种说法是继承了大反弹的想法，又进一步推广，持这种观点的人认为宇宙将会在持续的膨胀和收缩，不断循环着。
当密度参数Ω≤1时，宇宙的终局将会是大撕裂。这正好和大挤压相反，也就是物质的引力没办法和排斥力抗衡，所有的天体都被撕裂，连原子都逃脱不了这个宿命。
以上其实就是我们常听说的大挤压、大反弹、循环论、大撕裂的宇宙终局假说的推导过程，我们可以来简单总结一下：
当然，如果你对天文学感兴趣，一定还知道热寂说。
其实热寂说也是在密度参数Ω≤1时才成立的。也就是引力无法和宇宙膨胀效应进行抗衡，宇宙膨胀成指数发展。根据热力学第二定律，宇宙中的恒星会逐渐都熄灭，然后黑洞会蒸发掉，最后热量会均匀分布，不再有热传递的过程，也就没有了信息传递，宇宙陷入一片死寂。
加上热寂说，以上这些假说也就是目前关于宇宙终局的最主流的几个假说。
宇宙的未来
你现在可能已经一脸懵X。不过没有关系，我们可以再来总结一下。按照如今的观测结果，宇宙加速膨胀会导致在未来很多很多地方的光将永远也无法到达地球。
在足够长时间的未来，在地球上将会什么也看不到，宇宙膨胀速率太快，导致任何的物理过程都没办法持续进行。
100万亿年后，宇宙中所有的恒星逐渐耗尽所有的氢原子，并最终消灭，大质量天体将会只剩下黑洞、中子星和矮星；3*10^43年后，宇宙只剩下黑洞；10^106年后，几乎所有的黑洞因为黑洞蒸发而消失；10^1000年后，一切物质都衰变为亚原子颗粒，宇宙走向热寂。
PS：关于宇宙未来的时间预测和假说，目前说法众多，为了方便叙述，这里只选取某种说法，请不必过分纠结。 |
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发表于 2023-11-30 21:57:11
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