点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:宇宙的终极命运会怎样?它由谁主宰?
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

宇宙的终极命运会怎样?它由谁主宰?

来源:光明网2020-01-19 17:04

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  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”。

宇宙的终极命运会怎样?它由谁主宰?

  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。

宇宙的终极命运会怎样?它由谁主宰?

  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。

宇宙的终极命运会怎样?它由谁主宰?

  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。

宇宙的终极命运会怎样?它由谁主宰?

  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。

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 北京:“五一”假期逛车展

  • 山东淄博:陶瓷琉璃博物馆打卡热

独家策划

推荐阅读
董耀会的理想是在全国的长城沿线开发出一万个村,把长城沿线的优质农产品卖到世界各地。
2026-05-02 08:15
习近平总书记强调,要以更大力度、更实举措加强基础研究,提升我国原始创新能力,进一步打牢科技强国建设根基。
2026-05-01 18:40
加强基础研究,建设科技强国的必由之路。
2026-04-30 16:22
“AI投毒”“控评”“互踩”“人肉”“开盒”“算法黑箱”……AI时代,面对这些媒介乱象,该如何约束?
2026-04-30 09:02
近日,国家市场监管总局与教育部联合发布全国首批“专业与标准化教育融合试点单位”名单,位于江苏苏州太仓市的苏州健雄职业技术学院入选。如今,苏州健雄职业技术学院立足太仓“德企之乡”的实际需求,建校20余年来为太仓560余家德企直接输送技能人才或提供相关培训。
2026-04-30 08:59
西出世界屋脊,东汇百川入海,长江绵延6300多公里,滋养了源远流长的中华文明,哺育着勤劳勇敢的中华儿女。“各民主党派中央、无党派人士积极开展长江生态环境保护民主监督,立足实际,各展优长,推动中共中央有关决策部署落实到位。
2026-04-30 08:56
“刚出厂的机器人如同懵懂孩童,需要在数据喂养与场景训练中不断成长。”  他告诉记者,目前训练场的训练内容覆盖现代农业、工业制造、医疗康养等6大领域,精准对接12大产业、27个应用场景。
2026-04-30 08:55
2025年度全国十大考古新发现29日在北京揭晓,吉林东部长白山旧石器时代遗址群、河南新郑裴李岗遗址、河北宣化郑家沟遗址、甘肃庆阳南佐遗址、山西昔阳钟村遗址、河南郑州商城遗址、陕西富平长春遗址、山东青岛琅琊台遗址、浙江绍兴越国都城和汉六朝会稽郡遗址、宁夏贺兰苏峪口瓷窑址上榜。
2026-04-30 08:54
2010年,舒易来获得赴美国哈佛大学麻省眼耳医院联合培养的机会,在该院陈正一教授课题组继续开展耳聋治疗研究。2014年,舒易来带着最前沿的基因编辑理念回到复旦大学附属眼耳鼻喉科医院,继续探索耳聋治疗的新方法。
2026-04-29 10:43
一张4厘米见方、6微米厚的薄膜贴附于大脑功能区表面的硬脑膜外,就能采集到大脑信号。“北脑一号”已在研究者发起的临床研究中完成7例患者植入手术,器械在人体内累计工作时长超4.5万小时,初步验证产品的安全有效性。
2026-04-29 10:38
生物医药基础科研水平大幅提升。据统计,2023年,中国学者在生物医药领域三家全球顶尖学术刊物《细胞》《自然》《科学》发表的文章数量,跃升至全球第二,仅次于美国。在评选出的“2024年医疗界十大临床突破”中,有四项来自中国。
2026-04-29 10:33
乘坐自动扶梯时,很多人有“左行右立”的习惯:右侧站立,左侧留给赶路行人。可如果“左行”撞到了“右立”,还造成了一定损失,要担责吗?近期,上海铁路运输法院审结了一起相关案件。
2026-04-29 10:27
4月27日,农业法修订草案提交十四届全国人大常委会第二十二次会议审议。为突出耕地等农业资源保护和农业绿色发展,草案将现行农业法第八章“农业资源与农业环境保护”分为“土地等农业资源保护”“农业绿色发展”两章。
2026-04-29 10:13
教育部今天(28日)发布《普通高等学校本科专业目录(2026年)》,共新增38种普通高校本科新专业。本次获批申办高校可纳入2026年高考招生。
2026-04-28 11:22
目前,本科专业目录共涵盖13个门类、92个专业类、883种专业。
2026-04-28 11:20
中国农业科学院作物科学研究所小麦基因资源发掘与利用创新团队近日成功克隆了调控小麦分枝与主茎之间角度的关键基因,并揭示了其平衡调控小麦“站姿”的分子机制。
2026-04-28 10:01
作为牵头用户,生态环境部已有8颗环境和大气系列卫星在轨运行,还可统筹调用140余颗民商卫星数据资源。
2026-04-28 10:00
西南大学徐洛浩、刘海平教授团队联合德国科学院院士阿克塞尔·迈尔开展攻关,成功破解相关科学难题。
2026-04-28 09:59
人工智能的崛起为人类社会开启了变革的新纪元,深刻重塑着我们生活与生产的各个方面。而作为文明传承与思维锻造的核心路径,阅读在这一浪潮中经历着前所未有的影响与重构。
2026-04-28 09:57
透视农业农村经济“开门红”,其背后是国家战略引领、政策有力支持和市场社会力量的协同发力。
2026-04-28 09:46
加载更多