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    大事不好 宇宙“马上”就要停止膨胀了?

    发表在《美国国家科学院院刊》上的一项新研究表明,经过近 138 亿年的不间断膨胀后,宇宙可能很快就会停滞不前,然后慢慢开始收缩。

    在新论文中,三位科学家试图根据过去对宇宙膨胀的观察数据来模拟暗能量的性质——一种导致宇宙加速膨胀的神秘力量。

    根据他们的模型中,暗能量不是自然的恒定力量,而是一种叫做quintessence的实体,会随着时间的推移而衰减。

    研究人员发现,尽管宇宙的膨胀已经加速了数十亿年,但暗能量的排斥力可能正在减弱。

    根据他们的模型,宇宙的加速可能会在接下来的 6500 万年内迅速结束——然后,在 1 亿年内,宇宙可能会完全停止膨胀,相反,它可能会进入一个缓慢收缩的时期,有如时间反转,宇宙走向死亡或者说是重生(电视剧)。

    新泽西州普林斯顿大学普林斯顿理论科学中心主任、研究合著者保罗·斯坦哈特说,这一切都可能发生的“非常”迅速。

    “时光倒流 6500 万年,那时希克苏鲁伯小行星撞击地球并消灭了恐龙,”斯坦哈特告诉 Live Science。 “在宇宙尺度上,6500万年非常短。”

    没有参与这项研究的不列颠哥伦比亚大学物理学和天文学教授 Gary Hinshaw 告诉 Live Science,这个理论没有任何争议或内在矛盾。

    然而,由于该模型仅依赖于过去对膨胀的观察——而且因为宇宙中暗能量的当前性质是如此神秘——文中的预言目前无法经过验证。目前,它仅是保留理论。

    虚空能量

    自 1990 年代以来,科学家们已经了解到宇宙的膨胀正在加速;星系之间的空间现在比数十亿年前扩大得更快。

    科学家们将加速力量的神秘源命名为暗能量——与重力抵消的隐秘实体,将宇宙中最巨大的物体推得更远,而不是把它们拉在一起(电视剧)。

    尽管暗能量约占宇宙总质能量的 70%,但它的性质仍然是个谜。

    爱因斯坦提出的一个流行理论是,暗能量是一个宇宙常数——一种编织到时空结构中的不变的能量形式。如果是这样,暗能量施加的力永远不会改变,那么宇宙应该永远继续膨胀(和加速)。

    然而,一个相互竞争的理论表明,为了适应过去宇宙膨胀的观测,暗能量不需要保持不变。

    相反,暗能量可能是一种被称为quintessence的东西——一种随时间变化的动态场。 (斯坦哈特是在 1998 年《物理评论快报》杂志上的一篇论文中提出这一想法的三位科学家之一。)

    与宇宙常数不同,quintessence既可排斥又可吸引,这取决于它在给定时间的动能和势能的比率。在过去的 140 亿年中,quintessence以排斥为主。

    然而,在那个时期的大部分时间里,与辐射和物质相比,它对宇宙膨胀的贡献微不足道。大约 50 亿年前,这种情况发生了变化,当时quintessence成为主要成分,其引力排斥效应导致宇宙加速膨胀。

    “我们在本文中提出的问题是,‘这种加速必须永远持续下去吗?’”斯坦哈特说。 “如果没有,有什么替代方案,情况多久能改变?”

    暗能量之死

    Steinhardt 和同事、纽约大学的 Anna Ijjas 、普林斯顿大学的 Cosmin Andrei 预测了未来数十亿年quintessence将如何变化。

    为此,该团队创建了物理模型,依据过往的观测记录,显示它随着时间推移,斥力和引力如何变化。一旦团队的模型能够可靠地向后再现宇宙的膨胀史,他们就可向前推至未来。

    “令他们惊讶的是,他们模型中的暗能量会随着时间的推移而衰减。如果它以某种方式减弱,那么最终暗能量的反引力特性就会消失,它会转变回更像普通物质的东西。”

    根据该团队的模型,暗能量的排斥力可能正处于数十亿年前开始的快速衰退期中。

    在这种情况下,宇宙的加速膨胀今天已经放缓。很快,也许在大约 6500 万年内,这种加速会完全停止——然后,在从现在开始的短短 1 亿年内,暗能量可能变得有吸引力,导致整个宇宙开始收缩。

    换句话说,经过近 140 亿年的增长,空间可能会开始缩小。

    “这将是一种非常特殊的收缩,我们称之为缓慢收缩。”斯坦哈特说。“空间没有扩大,而是非常非常缓慢地收缩。”

    斯坦哈特说,最初,宇宙的收缩会非常缓慢,以至于任何还活着的地球上的假设人类甚至都不会注意到变化。根据该团队的模型,宇宙需要数十亿年的缓慢收缩才能达到今天大小的一半。

    宇宙的尽头?

    从那里开始,可能会发生两种情况。要么宇宙收缩,直到它在一次大的“紧缩”中自行坍塌,结束我们所知道的时空——或者,宇宙收缩到足以恢复到与其原始条件相似的状态,以及另一场大爆炸——或者一个大的“反弹”,从旧宇宙的灰烬中创造了一个新的宇宙。

    在第二种情况下(Steinhardt 和另一位同事在 2019 年《物理快报 B》杂志上的一篇论文中描述了这种情况),宇宙遵循膨胀和收缩、挤压和反弹的循环模式,不断地坍缩和重塑。

    如果这是真的,那么我们当前的宇宙可能不是第一个或唯一一个宇宙,而只是在我们之前膨胀和收缩的无限系列宇宙中的最新一个,斯坦哈特说。而这一切都取决于暗能量的多变本质。

    由于我们对宇宙膨胀的所有观测都来自距离地球数百万到数十亿光年的物体,因此目前的数据只能让科学家了解宇宙的过去,而不是它的现在或未来。

    所以,宇宙很可能正朝着紧缩的方向发展,直到收缩阶段开始很久之后,我们才能意识到这一点。

    不幸的是,没有很好的方法来检验quintessence模型,或者宇宙膨胀是否开始放缓,斯坦哈特承认。目前,这只是将理论与过去的观察数据相匹配的问题。

    无论是无尽增长还是快速衰退的未来等待着我们的宇宙,只有时间会证明一切。

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