宇宙加速了多久？答案你或许不会想到

顺势而为47

一场永无止境的比赛：膨胀vs引力

上一代人对宇宙最大的发现也许是在20世纪末，当时我们发现了一个最令人不安的宇宙真理：遥远的星系，随着时间的推移，不仅仅是从我们身边退去，而且是在加速远离我们。由超新星宇宙学项目和高-z超新星搜索小组发现的宇宙加速膨胀现象，曾获得2011年诺贝尔物理学奖，但却是宇宙中最奇异、最无法解释的现象之一。问题是，宇宙并不总是这样加速远离我们。数十亿年来，扩张速度在放缓，而对于一个活生生的100亿年前的人来说，宇宙可能看起来像是会塌陷。让我们看看发生了什么，以及我们如何知道。

在20世纪20年代，四个证据——三个观测证据和一个理论证据——结合起来告诉我们宇宙正在膨胀。他们是：

发现夜空中的螺旋星云实际上是星系，或者说是“岛屿宇宙”，处于银河系之外并有数十亿颗自己的恒星。维斯托·斯利弗对这些星系的红移和蓝移的测量，决定了这些星系远离我们（对于红移）或靠近我们（对于蓝移）移动的速度，而绝大多数都是远离我们的。埃德温·哈勃和他的助手米尔顿·休马森测量到这些星系的距离。观测结果加上滑翔者，显示了一个清晰的关系：平均来说，星系离我们越远，它远离我们的速度越快。最后，爱因斯坦的广义相对论带来了理论上的巨大飞跃：人们认识到，除非宇宙膨胀或收缩，否则各个方向上充满了密度近似相等的星系的宇宙将是不稳定的。

这导致了一幅早在1929年的宇宙图片，那个时候宇宙比现在更热、更密集、膨胀更迅速，随着时间的推移宇宙变得更冷、密度更小，而且膨胀速度变慢。

如果你在大爆炸的背景下思考，这是有意义的。想象宇宙大爆炸是一个伟大宇宙竞赛的发令枪，一方面是最初膨胀速度惊人的竞赛，另一方面是可以把一切拉回一起的万有引力的竞赛。你可以很容易地想象出三种不同的可能性，每种可能性都会给宇宙带来不同的命运：

大挤压。也许最初的膨胀速度很快，但随着时间的推移，重力所施加的作用变得更强。扩张速度将放缓，然后停止。宇宙将达到最大尺寸，然后开始收缩。最后，它会在本质上是宇宙大爆炸的逆过程中的塌陷，冷寂。这是相反的情况：膨胀开始得很快，重力作用会使其减速，但这不足以使其停下来。膨胀会以极快的速度永远持续下去，虽然重力一直在减缓它的速度，但从未成功地使它停止。这种情况被称为宇宙的热寂，或冷寂。临界宇宙。还有一种可能性是，你正好处在两者的边缘，膨胀率和重力相互完美平衡，膨胀率随着时间的推移而减慢，并逐渐趋于零。如果此时宇宙中只多一个或少一个粒子，你就会得到上面的第一个或第二个场景，但粒子不在那里。这种“临界宇宙”的情况会导致你能想象到的最慢的热死亡。

数十亿年来，这起临界状况似乎要胜诉。你看，当你生活在宇宙中观察不同的星系时，你不仅可以测量今天的膨胀率是多少，而且通过观察更遥远的星系，你还可以测量宇宙历史上早期的膨胀率是多少。

所以数十亿年来，准确地说，大约70亿年，我们生活在一个临界宇宙中。膨胀开始主要是辐射（光子和中微子），然后冷却到足以使物质（包括正常物质和暗物质）占据主导地位。随着宇宙不断膨胀，物质密度不断下降，因为物质密度只是质量（这是一个常数）除以体积（这是增加的）。

但在某个时刻，物质密度下降到如此低的值，以至于另一个对宇宙能量密度更微妙的贡献开始显现：暗能量。在70亿年左右，暗能量的值达到总能量密度的百分之几，到宇宙78亿年时，暗能量密度达到了一个非常重要的值：占宇宙总能量密度的33%。这是一个很重要的值，因为在一个充满物质的宇宙中，这是导致膨胀率开始加速所必需的暗能量！

从那时起，大约60亿年前，物质密度持续下降，而暗能量保持不变。目前，暗能量约占宇宙总能量的68%，物质的总能量约为32%（暗物质占27%，正常物质占5%）。未来随着时间的推移，物质密度将继续下降，而暗能量密度将保持不变，这意味着暗能量将越来越占主导地位。

对于单个星系来说，这意味着，从我们的角度来看，一个在大爆炸时刻就开始迅速从我们身边消失的星系，在最初的78亿年里，它明显的衰退速度将会减慢。在那一刻，衰退的速度将停止放缓，并将在短时间内保持不变。从那时起，它就会加速，随着我们和遥远星系之间的空间以越来越快的速度膨胀，它会以越来越快的速度后退。在某种程度上——令人恐惧的是，这已经可以适用于可见宇宙中97%的星系——我们所在星系群以外的每一个星系似乎都以大于光速的速度后退，因为物理的局限性，我们永远无法到达它。

据我们所知，宇宙总是拥有它今天固有的暗能量。但是，这花费了78亿年或者说整个宇宙的历史，即在我们太阳系形成之前大约15亿年，物质密度才下降到暗能量主宰宇宙膨胀的程度。从那时起，我们所在星系群以外的所有星系都在加速远离我们，并将继续这样下去，直到最后一个星系消失。在过去的60亿年里，宇宙一直在加速，如果我们来得早一些，我们可能永远不会考虑一个超越了直觉能引导我们的三种可能性之外的选择。事实上我们现在能够准确地感知宇宙并得出结论，这也许是最大的回报。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

FY: 陈星雨

作者: Ethan Siegel

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原文地址：今日头条