留給宇宙膨脹的時間，只剩最后 1 億年了？

按照標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的結(jié)論，我們的宇宙已經(jīng)存在了約 137 億年，在這漫長的歲月中，宇宙由最開始的一個無窮小的奇點，逐漸膨脹到今天無比浩大的尺度。今天的宇宙仍在繼續(xù)膨脹，甚至還是加速膨脹，這讓物理學(xué)家不得不引入暗能量解釋這種異常的加速。對于暗能量的性質(zhì)，我們知之甚少。而此前發(fā)表于《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）的一項研究顯示，暗能量的一種可能狀態(tài)可能會讓宇宙在不久后停止膨脹，并慢慢開始收縮。而這個可能的時間結(jié)點離我們其實沒有想象中的那么遠(yuǎn) ——6500 萬年后宇宙的膨脹將不再加速，而 1 億年后宇宙的膨脹將徹底停止，并開始緩慢收縮。

（如果你覺得這個時間還是太遠(yuǎn)了，可以對比一下：在地球上 6500 萬年前恐龍才剛剛滅絕。）

惱人的加速膨脹

愛因斯坦在 1915 年創(chuàng)立廣義相對論，讓宇宙學(xué)真正成為了一門科學(xué)。愛因斯坦場方程蘊含了宇宙的起源和演化問題的答案。但方程中有個問題讓物理學(xué)家感到困惑，它在宇宙學(xué)模型下無法給出一個靜態(tài)的解，所描述的宇宙總是處在膨脹或收縮之中。受限于當(dāng)時的宇宙觀，愛因斯坦堅信宇宙應(yīng)該處于一種永恒不變的靜態(tài)之中，于是修改了方程，添加上帶有“宇宙學(xué)常數(shù)”的一項，得到了靜態(tài)宇宙解。

然而后來的天文學(xué)觀測出乎所有人的意料。在 1929 年，天文學(xué)家愛德溫?哈勃（Edwin Hubble）觀測到河外星系的紅移現(xiàn)象，這意味著這些星系正在遠(yuǎn)離我們。而愛因斯坦場方程預(yù)言的宇宙膨脹正好可以解釋這種現(xiàn)象。如此一來，方程沒有靜態(tài)解反而不成問題了，添加宇宙學(xué)常數(shù)實屬畫蛇添足。愛因斯坦后來撤回了對場方程的修改，并承認(rèn)引入宇宙學(xué)常數(shù)是他犯過的最大的錯誤。

然而問題并沒有就此結(jié)束。既然我們的宇宙正在膨脹，那么隨著宇宙變大，宇宙中物質(zhì)的密度變小，相應(yīng)的能量密度也會變小。這時根據(jù)愛因斯坦場方程的預(yù)言，宇宙膨脹應(yīng)當(dāng)逐漸減速。然而天文學(xué)觀測再次出乎所有人的意料，1998 年天文學(xué)家根據(jù) Ia 超新星的觀測數(shù)據(jù)計算宇宙膨脹速度，發(fā)現(xiàn)宇宙不是在減速膨脹，而是正在加速膨脹。

宇宙的膨脹速度不減反加，這個發(fā)現(xiàn)讓物理學(xué)家困惑不已。為了給出解釋，物理學(xué)家認(rèn)為宇宙中還存在一類未知的東西，它的能量密度不會隨著宇宙變大而減小，而是保持常數(shù)。于是當(dāng)宇宙膨脹到原來的兩倍大時，這種能量的總量也會翻倍。將這種未知能量納入到宇宙學(xué)模型中來，其實就相當(dāng)于拾起了被愛因斯坦拋棄的宇宙學(xué)常數(shù)，它讓愛因斯坦場方程可以給出一個加速膨脹的解。

這種未知的能量就是如今大名鼎鼎的“暗能量”。據(jù)物理學(xué)家估計，暗能量應(yīng)當(dāng)占據(jù)今天宇宙全部內(nèi)容物的約 70%，才能符合對宇宙加速膨脹的觀測。然而這種神秘的能量到底是什么，如何在物理學(xué)上描述它，學(xué)界莫衷一是。而對暗能量的認(rèn)知關(guān)系到我們對未來宇宙命運的預(yù)言，如果暗能量的能量密度并不是一個常數(shù)，而是會隨時間變化，那么宇宙很可能在未來停止膨脹，并開始收縮。而這最短只需要 1 億年的時間。

1 億年后的命運

1998 年，保羅?斯坦哈特（Paul Steinhardt）等三位物理學(xué)家發(fā)表一篇論文，提出了暗能量是一種“精質(zhì)”（quintessence）的假說。這樣的暗能量不再像宇宙學(xué)常數(shù)描述的那樣，能量密度固定不變，而是一種可以隨時間變化的標(biāo)量場。這個標(biāo)量場表現(xiàn)出吸引還是排斥，取決于其動能與勢能的比例。研究人員認(rèn)為，這個標(biāo)量場在宇宙誕生約 35 億年后變得具有排斥性，但那時對宇宙膨脹起主導(dǎo)作用的還是物質(zhì)的能量密度，因而膨脹速度逐漸減小。直到宇宙誕生約 98 億年后，物質(zhì)的能量密度隨著宇宙變大而降低，暗能量才起了主導(dǎo)作用，使得宇宙加速膨脹。

但如果暗能量真是一個會隨時間變化的標(biāo)量場，它的成分變化有可能導(dǎo)致排斥性逐漸消失。最近發(fā)表在 PNAS 的一篇論文中，斯坦哈特和兩位同事安娜?伊堯什（Anna Ijjas）以及科斯敏?安德烈（Cosmin Andrei）建立了一個包含“精質(zhì)”暗能量的宇宙模型，他們調(diào)整了模型的參數(shù)，以符合已知的宇宙膨脹歷史。之后，研究人員用這個模型模擬了未來這樣的暗能量會發(fā)生什么變化。他們發(fā)現(xiàn)，暗能量的能量密度會隨時間減小，最終表現(xiàn)得類似普通物質(zhì)。這個轉(zhuǎn)變在 6500 萬年內(nèi)就能實現(xiàn)，導(dǎo)致那時宇宙的膨脹不再加速。而距今 1 億年后，暗能量就會變得有吸引力，導(dǎo)致宇宙開始收縮。

盡管按照這個模型的預(yù)測，宇宙開始收縮的時間并不遙遠(yuǎn)，但研究人員表示，剛開始宇宙收縮的速度非常緩慢，可能需要再經(jīng)過幾十億年，宇宙才能達到今天的一半大小。但另一方面，我們對宇宙膨脹的所有觀測都來自數(shù)百萬到數(shù)十億光年的天體，它們能告訴我們的是宇宙過去的信息，而不是宇宙的現(xiàn)在或未來。所以，宇宙也有可能已經(jīng)開始收縮了，而地球上的我們要在很久之后才能意識到這一點。

不過，我們目前還沒有辦法來確定暗能量是否確實是一種“精質(zhì)”，或者宇宙的膨脹是否已經(jīng)開始放緩。斯坦哈特等人的工作，只是建立在一種特殊的暗能量模型上。這種對暗能量的認(rèn)識是否正確？或許要等未來的觀測告訴我們答案。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.80.1582

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2200539119

本文來自微信公眾號：環(huán)球科學(xué) （ID：huanqiukexue），撰文：白德凡，審校：王昱

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