宇宙的最终结局到底是什么？

伊索谗言 · 发表于 2020-3-4 21:32:54

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：

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。

密度参数Ω0＞1

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。

密度参数Ω≤1

大撕裂

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。