howking的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/howking

博文

宇宙简史——时间之矢与大撕裂结局

已有 8656 次阅读 2013-3-23 15:45 |个人分类:科普自然科学|系统分类:科普集锦| 宇宙, 时间

宇宙简史——时间之矢与大撕裂结局

我们为何存在?我们来自何方?我们将去往何处?这是人类一直在问的问题,追根问底、寻找答案,这是人类的本性,人类的起源可以追溯到千万年前,但事实上,我们的故事还要早得多。

从宇宙诞生之日起,就已经揭开了序幕。一切始于137亿年前,那个被称为BIG BANG的伟大时刻,随着一声巨响,时间、空间和万物从中诞生,于是宇宙历史即被开启,一切都按照上帝的程序运行。

从大爆炸到太阳系

宇宙诞生初期处于均匀且各向同性的高密高温高压物质状态,并在极早期发生了短暂的快速膨胀和冷却。在10-43秒宇宙从量子背景出现,大约进行到10-37秒时,产生了一种相变使宇宙发生暴胀,在此期间宇宙的膨胀是呈指数增长的,这个时期被称为宇宙暴涨期。当暴胀结束后,构成宇宙的物质形态包括夸克-胶子等离子体,以及其它基本粒子。此时的宇宙仍然非常炽热,以至于粒子都在做着相对论性的高速随机运动,而粒子-反粒子对在此期间也通过碰撞不断地创生和湮灭,从而宇宙中粒子和反粒子的数量是相等的(宇宙中的总重子数为零)。直到其后的某个时刻,一种未知的违反重子数守恒的反应过程出现,它使夸克和轻子的数量略微超过了反夸克和反轻子的数量——超出范围大约在三千万分之一的量级上,这一过程被称作重子数产生。这一机制导致了当今宇宙中物质相对于反物质的主导地位。

图片





随着宇宙的膨胀,温度进一步降低,粒子所具有的能量开始逐渐下降。当能量降低到1Tev时产生了对称破缺,这一相变使基本粒子和基本相互作用形成了当今我们看到的样子。宇宙诞生10-11秒之后,大爆炸模型中猜测的成分就进一步减少了,因为此时的粒子能量已经降低到了高能物理实验所能企及的范围。10-6秒之后,夸克和胶子结合形成了诸如质子和中子的重子族,由于夸克的数量要略高于反夸克,重子的数量也要略高于反重子。此时宇宙的温度已经降低到不足以产生新的质子-反质子对(类似地,也不能产生新的中子-反中子对),从而即刻导致了粒子和反粒子之间的大量湮灭,这使得原有的质子和中子仅有十亿分之一的数量保留下来,而对应的所有反粒子则全部湮灭。大约在1秒之后,电子和正电子之间也发生了类似的过程。经过这一系列的湮灭,剩余的质子、中子和电子的速度降低到相对论性以下,而此时的宇宙能量密度的主要贡献来自湮灭产生的大量光子(少部分来自中微子)。



   在Big Bang发生后大约3分钟,宇宙的温度降低到大约30亿开尔文,它已经足够冷却,能够使少数质子和所有中子结合,组成稳定的氘和氦的原子核,密度降低到大约海平面附近空气密度的水平,这个过程叫做太初核合成。而大多数质子没有与中子结合,形成了氢核。随着宇宙的继续冷却,宇宙能量密度的主要来自静止质量产生的引力的贡献,并超过原先光子以辐射形式的能量密度。在大约37.9万年之后,

图片




宇宙温度降为约3000开尔文,电子和原子核结合成为中性原子(主要是氢原子),这时宇宙在原子尺度之上基本显现为电中性,于是光子被带电粒子散射的几率大大降低,于是宇宙变得透明,这时被称为光子脱耦时期。在此之前光子在极短的距离即与带电粒子耦合, 子不能长距离传播,宇宙处于昏暗状态。而物质通过脱耦发出辐射并在宇宙空间中相对自由的传播,这个辐射的残迹就形成了今天的宇宙微波背景辐射。即便过去了137亿年,在今天依然有3K的热辐射残余。


大约在宇宙大爆炸之后的4亿,宇宙

气体发生了一次相变,在这之后数亿年间,宇宙经历了从中性到电离的一个非常重要的阶段,这一宇宙进化时期被称为“再电离”。

在这一时期,大量的气体聚集,在引力作用下形成了第一批恒星和星系,宇宙进入光明时代,这一过程中喷射的紫外线清除了多数环绕的中性氢气。“再电离”过程以及清除雾状氢气,使得宇宙首次在紫外线下变得透明。我们的太阳系则诞生于宇宙大爆炸之后的90亿年,迄今已有46亿年历史。

太阳和太阳系内其它星体形成于一个巨大的旋转气体尘埃,也被称为太阳星云

图片

。当引力导致星云塌缩时,它将旋转更快,且扁平呈盘状结构。在这一时期,多数气体尘埃物质都被牵引至星云中心区域,从而形成了太阳。

虽然宇宙在大尺度上物质几乎均匀分布,但仍存在某些密度稍大的区域,因而在此后相当长的一段时间内这些区域内的物质通过引力作用吸引附近的物质,从而密度变得更大,并形成了气体云、恒星、星系等其他在今天的天文学上可观测的结构。这一过程的具体细节取决于宇宙中物质的形式和分量,其中形式可能有三种:冷暗物质、热暗物质和重子物质。目前来自WMAP的最佳观测结果表明,宇宙中占主导地位的物质形式是冷暗物质,而其他两种物质形式在宇宙中所占比例不超过18%。另一方面,对Ia型超新星和宇宙微波背景辐射的独立观测表明,当今的宇宙被一种称作暗能量的未知能量形式主导着,暗能量被认为渗透到宇宙的每一个角落。观测显示,当今宇宙的总能量密度中有74%的部分是以暗能量这一形式存在的。根据推测,在宇宙非常年轻时暗能量就已经存在,但此时的宇宙尺度很小而物质间彼此距离很近,因而在那时引力的效果显著从而减缓了宇宙的膨胀。在膨胀过程中,常规物质形态密度大大降低,而暗能量密度几乎不受影响,所以经过了几十上百亿年的膨胀,暗能量逐渐在星系团以及更大的尺度上占据绝对优势,于是宇宙缓慢加速膨胀。表述暗能量的最简洁方法是在爱因斯坦引力场方程中添加所谓的宇宙常数项,但这仍然无法回答暗能量的构成、形成机制以及与已知基本粒子的相互作用形式等问题,以及与此伴随的一些更基础问题:例如关于它状态方程的细节,以及它与粒子物理学中标准模型的内在联系,这些未解决的问题仍然有待理论和实验观测的进一步研究。

所有在暴胀时期以后的宇宙演化,都可以用宇宙学中的ΛCDM模型来非常精确地描述,这一模型来自广义相对论和量子力学各自独立的框架。目前还没有被广泛接受的模型能够描述从大爆炸到大约10-15秒之间的宇宙,在这个时期的宇宙是一个质量无穷大、体积无限小的奇点,因此这个时期的宇宙既是广义相对论的,又是量子力学的。需要一个量子引力理论来突破这一难题。如何才能理解极早期宇宙的物理图景则是当今物理学的最大未解决问题之一。

时间之矢

如今,宇宙中有数以千亿的星系,每个星系又包含数千亿颗恒星,而太阳只是其中普通的一颗。归根到底,我们都是宇宙的一部分。所以,宇宙的故事就是我们的故事。

有一个东西非常重要,没有它,宇宙的故事就无从讲起;没有它, 就无法想象宇宙是什么情形。它存在于宇宙的每一个角落,那就是时间。时间的流逝造就了宇宙的演变,也诞生了许多非凡的奇迹,这些奇迹见证了宇宙的初生,也将伴随它走向灭亡。

对茫茫宇宙的探索欲望,启迪我们开创了现代天文学,为现代文明打下了基石。

日升 日落 犹如心跳一般 告诉我们时间在流逝

一天有24小时 这是地球自转一周的时间

一个月有29.5 这是月亮在夜空中呈现出阴晴圆缺的周期

一年有365.25 这是地球绕太阳一周的时间

这些我们熟悉的时间尺度,标志了我们生命的节奏。相比而言,宇宙的生命却长得多。当我们仰望星空时,看到的不只是星星点点,它们都是无数个不同的时钟。这些恒星见证了数十亿,甚至数百亿年时光的流逝。

时间存在于任何地方,它雕琢了我们的宇宙。从欲火而生,到无数代的行星、恒星和星系,直到最终的消亡。宇宙的命运,由时间之手全然掌控。宇宙里的时间尺度非常之大,几乎没有任何东西能与之相提并论。在地球上的某些地方能让我们对此有一些认识,让我们见识人类诞生之前的远古时代,地球上现存的古老的活化石海龟家族有着上亿年的故事,但是和宇宙近乎无限的时间跨度相比,也只是蜉蝣一瞬。

我们整个太阳系正绕着银河系的中心在一个极其广阔的轨道上旋转,而围绕银河系转一圈,就要花上两亿五千万年。在整个人类史中,太阳系走过的路程,还不到这轨道的1%。这些周期看上去,似乎是永恒不变的。当时间的故事慢慢展开,一条真理也随之被揭示,万物都不能长久,这是时间最深刻的特质。在广袤的宇宙中是如此,而在地球上,我们也能找到同样鲜活的例证。我们人类以及其它动物的生老病死,植被的更新替代,以及山川河流,大洋大洲都会在漫长岁月中时移势迁。

事物永远是以相同地顺序发展的,他们不会跳跃,也不会回头,你永远也不会看到它们反过来运行。想像一杯水从桌子上滑落到地板上被打碎。如果你将其录像,你可以容易地辨别出它是向前进还是向后退。如果将其倒回来,你会看到碎片忽然集中到一起离开地板,并跳回到桌子上形成一个完整的杯子。你可断定录像是在倒放,因为这种行为在日常生活中从未见过。

  为何我们从未看到碎杯子集合起来,离开地面并跳回到桌子上。有趣的是,从来没有任何一条描述杯子碎片的物理定律规定这些碎片不会集合起来,离开地面并跳回到桌子上。

但有意思的是我们能够理解为什么这一切不会倒转。这是有原因的,我们有科学的解释叫做“时间箭头”。通常的解释是这违背了热力学第二定律所表述的在任何闭系中无序度或熵总是随时间而增加。换言之,它是穆菲定律的一种形式:事情总是向更糟糕的发祥发展:桌面上一个完整的杯子是一个高度有序的状态,而地板上破碎的杯子是一个无序的状态。人们很容易从早先桌子上的杯子变成后来地面上的碎杯子,而不是相反。

我们被迫走向未来,这是因为时间箭头决定了当时间流逝,一切都要改变。而一旦有所变化,就绝没有回头之日。永恒的变化对我们人类有着根本性的意义,随着时间流逝,我们慢慢老去,人们出生、成长、然后死亡。我觉得,这就是生命必须承受的悲喜的一部分

但在宇宙中,似乎那些史诗般的周而复始,看上去是那么亘古不变,但这只是错觉。其实,宇宙的生命就和我们的生命一样,一切都在不可逆转地改变着,通过一次次的改变,时间箭头推动着整个宇宙的演变。宇宙中充满了恒星,还有伴随它们的无数星云和行星,这些数不胜数的世界,我们永远也探索不完。在时间的雕琢之下,宇宙的美是动态的、变幻的,我们目睹了恒星的诞生,也目睹了它们的死亡,目睹了超新星爆发的壮观,也目睹了黑洞贪婪的吸积周围的一切。我们知道,时间一去不复返,因为时间箭头告诉我们未来和过去是绝然不同的。但这种变化缘由何在?过去和未来,它们为何会有不同?时间箭头的意义何在?

我们每个人都对时间有着清晰的感觉。对于我们来说,斗转星移,去日不再,这些都再自然不过了。这是因为年复一年,时间的概念已深深印在我们的基因之中,我们见证了时间的力量。随着我们探索宇宙奥秘的深入,以及科学技术的突飞猛进,一个新的学科也应运而生,名叫热力学。也就是从那时开始像热量、温度、能量这些概念走进了科学的研究领域,随之而来的是一些更深层次的认知。

这或许是最关键的一条物理定律,它能让我们理解时间的推移和宇宙的演化,它的名字是“热力学第二定律”。这条定律意义非凡,因为它的核心是一个标新立异的概念,也就是物理学家们常说的"entropy".。熵的概念能够解释为什么在没有外力干预的情况下,墙壁会断裂、玻璃会破碎、房屋会坍倒。要想理解熵的概念,我们不能把物体看作是一个单一的东西,而要认识到它由许多部分组成。就像组成这沙堆的沙粒,熵就是沙堆在保持原样的同时能够被重新组织的可能性。当然对于沙堆来说,可能性是无穷无尽的。无论我对这个沙堆做了什么,搅和它、移动它,它依然保持着原有的形状和结构。用物理学术语来说,就是这个沙堆有很高的熵值。因为我有很多方法重新组织它,它的结构保持不变。

熵在我们的生命中也有极其重要的意义,生命赖“负熵”以生存。这句经典名言告诉我们,吃饭能为我们提供负熵,来抵消身体运转所带来的熵增。我们读书学习能够使我们的大脑神经组织变得更加有序,所以一个充满知识与智慧的大脑是熵值很低的的大脑。必要的睡眠能使身体部分组织排掉毒素,是以消耗体内储存的碳水化合物和其它营养物质提供负熵,也是一个身体系统熵减的过程。我们的生存是以消耗环境的负熵为代价的,但是我们得道的负熵远低于消耗环境的负熵,所以我建议你不要再读该文,因为这样会使周围环境加速变得无序,即便会使你的脑组织稍稍变得有序,这会加速宇宙的死寂。身体熵值的增加就意味着身体变得更糟,人的一生也伴随着熵值的时升时减,但总的来说熵值最终会变得很大,人的生命也就走向终结。

一个闭系统,熵值永远在增加,究其原因,就是因为高熵值的状态拥有更高的概率,是一个系统的最概然分布。凭借着“熵增法则”,热力学第二定律解释了时间为何只有一个行进方向。对我而言,热力学第二定律体现了物理学优雅而强大的一面。这条科学定律起先是用来描述热量的传导方式以及热机效率的,最终它却被用于解释物理史上最大的谜题之一——为何过去和未来是那样不同?

因为第二定律说,万物都从有序趋于无序,过去和未来的区别就在于此。过去的宇宙是更有序的,而未来的宇宙有序度只会越来越低,也就意味着时间的行进是有方向的。所以,热力学第二定律引入了“时间箭头”的概念。

而在宇宙中,这样的历程已经持续137亿年之久,也将为我们带来深远的影响。因为它意味着恒星不能永远燃烧下去。当然,我们太阳系中心的那颗恒星亦是如此,在它的晚年,太阳不会简单地慢慢黯淡下去。当太阳的燃料耗尽时,它的核心会坍缩,而坍缩过程中产生的热量,又会导致它的外层膨胀。这个过程会持续十亿年,太阳将会变得无比残暴,将给我们脆弱的世界带来毁灭性的灾难,地球将会慢慢地变热,地球的好日子终有到头的时候。最终,这个星球上所有的生命都将消失,在生命绝迹之后很长时间太阳会变得非常大,它将充满整个地平线,它将会变成红巨星,这是太阳生命的最后阶段。我们的星球很难在这一时期幸存下来,但即幸存,剩下的也不过是一块被烧焦的废石,见证着太阳的最后死亡。

亿年之后,我们的太阳将爆炸,将大量的气体与尘埃抛洒到太空中形成一个巨大星云。而它的核心散发着微弱热量,如一片记录过往的琥珀,诉说着它辉煌夺目的过去。那时,太阳的尺寸将会比地球还小,也就是不到现在太阳体积的百万分之一,而亮度与现在相比更是微不足道,我们的太阳将变成一颗白矮星。由于没有燃料可以燃烧,白矮星微弱的亮光来自于它早年的余热,太阳死了,它在冰冷宇宙的深处,慢慢地散失掉最后一丝光和热。其他所有恒星和太阳的命运是一样的,总有一天,所有的恒星都将死亡。

那时宇宙会陷入无休止的漫漫长夜,这就是时光不可倒流的结果。因为我们居住的宇宙和其中的所有行星、恒星、以及星系都无法永存。

宇宙最终将会慢慢凋零、死亡,首先到来的是造星期的终结,万星增辉的纪元就此终结。最大的恒星最先死亡,有的最后猛烈地坍缩成为黑洞,有的最后轰轰烈烈的以超新星爆发而结束生命,这些大质量的恒星寿命通常只有几百万年。但在这些大型恒星消亡后很久,只有一种恒星还留存着。

离我们太阳系最近的恒星——比邻星(半人马座α三合星的第三颗星),它离我们只不过4.2光年而已。而这颗恒星并不比远处的其他星星明亮多少,这是因为比邻星异常微小。这类恒星叫做红矮星,它的质量只有太阳的11%~12%,在我们看来它的亮度只是太阳的一万八千分之一。但红矮星与那些比它大得多,亮得多的星星相比有一个优势,因为它们质量小,热压能够抵抗引力,使得核聚变比那些更大的恒星进行的更慢,能以极慢的速度消耗核燃料,所以它们的寿命能达到百亿年之久。这意味着像比邻星这样的恒星会在宇宙里坚持到最后。如果我们能够存活到足够久的话,我们的后代很有可能会将他们的文明建立在红矮星附近,以获取最后一丝仅存的光热,就像我们的祖先在寒冷的冬夜围绕着营火取暖一样。比邻星的体积和引力都很小,这意味着它内核的压力比那些更大的恒星要小很多,这样它的内核会不停地流动并不断地从表面喷出来。虽然比邻星那么昏暗,它的表面却在永无休止地发生着爆炸性的耀斑。但最终,比邻星也会死亡,和我们的太阳相同,它也会变成一颗白矮星。

当造星季临近结束,一切都将黯淡下去,宇宙将变得暗淡无光,毫无生机。宇宙里只剩下最微弱的几丝亮光,白矮星的幽光,将用它最后一抹亮色,照耀着这个充斥着死亡恒星和黑洞的宇宙。到这时,宇宙已有一万亿年的历史了,然而,在它宏大的生命中,绝大部分的旅程还尚未开始。

在宇宙遥远的未来中,同样的命运也会落在剩下的白矮星身上 ,黑矮星将是这些末日之星的最终形态,异常冰冷的白矮星不会再散发出光和热。黑矮星是黑暗的荒凉星球,由高密度的简并态物质(一种密度极高的物质,大部分为恒星的遗骸)构成,在引力作用下,原子的核外电子被迫向原子核塌缩,电子便处于相同的量子态,根据Pauli不相容原理,电子之间便有极强的简并压来抵抗引力。构成它们的原子被高度压缩,黑矮星的密度要比太阳大一百万倍。恒星要变成黑矮星需要相当长的时间,远远超出137亿年,所以在宇宙诞生137亿年后的今天,我们宇宙中并没有黑矮星存在,尽管还没有出现黑矮星,但是我们依然能够依据强大的理论物理学预测它们会在未来存在并且如何消亡。黑矮星上那些宇宙中最后的物质最终会挥发殆尽,在辐射中渐渐湮灭入无尽虚空,一丝痕迹都不会留下。

黑矮星消逝之后就再也没有一个原子存在了,一度多姿多彩的宇宙只会剩下光子和黑洞,经过亿万年之后,就连黑洞也会湮灭。宇宙中空无一物,只剩一片光子的海洋,温度的差异也渐渐抹平。在宇宙膨胀的作用下,一切都会趋近于绝对零度。

当我们宇宙中最后物质的残余都消失不见,当整个宇宙都达到了相同的温度,宇宙的故事就要划上句号,时间也变得毫无意义。那时,宇宙或许是第一次永恒不变,熵值也极限,因为那时宇宙的无序度已经无法再增加,没有什么发生,而且再也不会发生什么了,一直如此

这就是所谓的“宇宙热寂说”,到那时宇宙会永远地保持广阔、冰冷、荒凉沉寂的状态。而到那时过去、现在、和未来之间完全不再有区别。没有什么能够衡量时间的流逝,因为宇宙永远保持那样,不再变化,时间箭头被永远地凝固,这是宇宙不可避免的宿命。它早已写在了物理学的基本原理之中,宇宙终将死亡。一切都将死亡,这听上去也许会让人感到无比悲观,你当然可以说“为何上帝不构建一个完全不同的宇宙呢? 在那个宇宙中,一切不会归于混沌,这样不是很好吗?”

答案是:不,上帝也做不到,只要还想让生命存在。人择原理指出:如果万物与自然定律存在,那时万物与自然定将会被人类发现。如果万物与自然定律不是那个型态出现的话,人类就不会知道这些定律是怎样出现的。如果只有在像我们的很少的一些宇宙中,智慧及生命才得以发展并能质疑:"为何宇宙是我们看到的这种样子?" 回答很简单:"如果它不是这个样子,我们就不会在这里。"

时间箭头以及那些会导致宇宙灭亡的微小改变,其实恰恰是最初的生命缔造者,一切物理定律只有像我们发现的这样,人类这样高度有序的机体才会出现。因为物质的形成需要时间,在引力作用下,行星和恒星的形成也需要时间,正是时间箭头在宇宙的青春期打开了一扇明亮的窗户,从而使生命成为可能。但这扇窗户并不会开得太久,同宇宙的生命,也就是从Big Bang到最后一个黑洞湮灭相比,我们的生命只不过占了它的1086次方分之一。这就是为什么对我来说,宇宙的奇迹不是某颗行星、恒星、或某个星系。

大撕裂结局

Science ChinaPhysics, Mechanics & Astronomy上发布了一篇中国科研人员发布的论文《Dark energy and fate of theUniverse》,这篇论文计算出所谓的“世界末日”!根据宇宙中暗能量约占74%,他们算出末日到来的时间下限是167亿年,上限是1035亿年,宇宙以及其中的一切终将消失于“大撕裂”。

一切得从暗能量说起。1998年那个载入物理史册的一年,在这之前,人类认为宇宙膨胀的速度越来越慢;在这一年,劳伦斯伯克利国家实验室天体物理学家索尔·珀尔马特通过观测Ia型超新星,发现宇宙在加速膨胀,这个事件震撼了整个宇宙学。早在上世纪20年代,著名的天文学家哈勃发现几乎所有星系(仙女座大星系Andromeda除外)的光谱线都向更长的波长移动,这就是“红移”。根据这个发现我们知道,其它星系正在远离我们。哈勃发现,星系离我们越远,退行速度就越快,且和距离成正比,

cz=v=H0d

这便是著名的哈勃定律,其中,c是光速,z是红移,v是速度,d是距离,H0是哈勃常数。

超新星是具有大质量的恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸,这种爆炸极其明亮,在此过程中所突发的光通常能够照亮其所在的整个星系,并可持续几周至几个月才会逐渐衰减变为不可见。在这段期间内,一颗超新星所辐射的能量可以与太阳在其一生中的总辐射能量相媲美。由于Ia型超新星的亮度比较恒定,通过观测它的“红移”,就能知道自它爆炸以来宇宙膨胀了多少。观测不同的超新星,可以得到不同年代的宇宙膨胀数据。索尔·珀尔马特发现,当红移z小于0.1的时候,哈勃定律成立;而在Ia型超新星的红移z约等于1的情形下,红移、速度、距离之间的线性关系就不成立,实际距离大于哈勃定律里红移所对应的距离,说明超新星以越来越快的速度远离我们,这就是宇宙在加速膨胀的证据。

宇宙在 “大爆炸”中诞生,曾一度在极端炙热和异常致密的状态中剧烈膨胀。随着宇宙的冷却,膨胀速度也逐渐变慢。约60亿年前(根据钱德拉X射线望远镜的最新观测结果),宇宙中的物质又开始以更快的速度相互远离——是什么神秘的力量控制着宇宙的膨胀速度?

我们知道,物质之间的引力只会让它们靠得更近,一定存在某种“斥力”使宇宙的膨胀摆脱了引力的束缚,从而加快了速度。因此,宇宙学家提出了暗能量假说。根据NASA的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)的“5年数据发布”,在我们的宇宙中,暗能量占据了

图片

74%,而另一种不产生电磁相互作用,而会产生引力效应的神秘物质:暗物质,则占据了22%的份额。我们类知识能够认识的一切物质:包括一切标准模型中的基本粒子以及由基本粒子组成的原子、气体、固、液体、行星,恒星、星系,我们所熟悉的一切加在一起只构成宇宙的4%。震惊!这是能让我们认识到自身渺小的最有力数据。原来我们所知道的“物质”并不重要(Matter doesnt matter!),那黑暗 96%才是宇宙的“主要成分”,而且对这96%我们几乎一无所知!

暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉的物质形式。根据动力学标量场(scalarfield)模型,宇宙的未来将复杂得多;也许将继续加速膨胀下去,也许会减缓膨胀的速度,甚至走向收缩,导致宇宙最终以与大爆炸相反的“大坍缩”(Big crunch)收场。如果据幽灵模型,随着宇宙的膨胀,暗物质的密度降低,而暗能量密度几乎不变,这将会导致宇宙以越来越快的加速度膨胀。最终,宇宙将走向“大撕裂”(Big  Rip)。精灵模型则给出了一个“振荡的未来”。根据这一理论,整个宇宙将在加速膨胀和减速膨胀之间反复演绎,“大坍缩”和“大撕裂”这两种极端的情况都不会出现。

讽刺的是,暗能量的无处不在,反而让人们很难意识到它的存在。暗能量与已知物质不同,它是均匀分布的,不会在某个地方聚集成团。不论是在地表,还是在星际空间,暗能量的密度都完全一样,约为10-26千克/立方米,相当于几个氢原子的质量。太阳系中所有的暗能量加起来,与一颗小行星的质量差不多,在行星的“舞蹈”中,几乎起不了作用。只有在巨大的空间尺度上和时间跨度上,才能体现出暗能量的影响力。这像极了地球周围的空气,在我们居住的地球表层,空气大体均匀分布,我们很难意识到它的存在,人类文明直到200多年前才发现地表并非空无一物,而是有着各种复杂气体。同样的,如果我们人类生活在大海中,我们就很难发现水。然而暗能量的分布更加均匀宽广,它的发现之难就可想而知了,在星系尺度上才能表现出效应,我们对于它的本质可以说一无所知,除了宇宙的加速膨胀。

167亿年后地球将被“暗能量”撕裂。

暗能量被认为占据宇宙74%成份,一种叫做“宇宙大撕裂”的理论认为暗能量最终将摧毁宇宙。如果暗能量的压力和密度比值低于-1,它们将在有限时间内无限地扩张增长,同时暗能量可以排斥引力作用,这将对宇宙形成负面影响。最糟糕的计算结果是在167亿年后暗能量将引发世界末日。如果神秘暗能量撕碎宇宙,地球将从太阳系剥离,最终发生宇宙大撕裂。不光是星系团、星系、恒星系会被撕裂,就连地球,甚至原子也会被无情的撕裂。最终宇宙会无比沉寂、无限空旷。

“宇宙大撕裂”理论认为,暗能量将摧毁宇宙每个区域,在宇宙终结之前的3290万年前银河系将产生引力崩溃。在世界末日来临的前两个月,地球将从太阳系剥离,在此5天之前月球脱离地球引力束缚。在时间终止前28分钟,太阳将被摧毁,在时间终止前16分钟,地球将爆炸。令人感到欣慰的是,世界末日在遥远的167亿年之后才会出现,人们不必为此担忧。这个黑暗世界末日预测是依据中国理论物理学家探索的一种潜在“暗能量”理论提出的,该理论指出神秘的暗能量遍及宇宙各个区域。

Dark energy的相关研究,会随着观测数据的增加而变得越来越可靠。目前,暗能量理论和大撕裂理论只是宇宙学中的一个假说,是根据已知的事实、原理和规律,对现有观测数据进行详细分类、归纳与分析后,对宇宙未来的演化、结局所做出的推测和猜想,这些理论的成熟需要更多的“证据”来支持和检验。

我认为宇宙的美妙不是某个东西,而是这时间长河里的须臾一瞬 也就是现在。在永恒的时间里,人类出现在地球上的这段时间只是微不足道的一小部分。

虽然我们在地球上只生存了20万年,我们却已经取得了令人惊叹的进步。仅仅在2500年前,我们还认为太阳是天神,我们还在用建在山巅的石塔,来记录它的运行轨迹。现在,人们的好奇不再局限于太阳神,而是转向了科学。现代的天文台与山巅的石塔相比,简直要复杂无数倍,它们正在探索宇宙深处的奥秘。

也许更令人赞叹的是通过先进的理论物理和数学,我们可以计算出遥远的未来,宇宙将走向何方,甚至能透过缜密的推算清晰地看到它的终结。

我们个人生命极为短暂,期间只能探索宇宙的小部分,但是,人类天生就是好奇的族类。我们惊奇,我们疑惑,我们寻求答案。不断地提出一个又一个更深层次的问题,我们从何而来?我们如何理解我们处于其中的世界?上帝设计了何种高等的程序?我们的宇宙为何是这样运转?诸如此类问题几乎每个人都为此困扰。我相信只有通过对宇宙的不断探索,对自然规律的不断寻觅,我们才能真正了解自己在宇宙奇迹中的具体位置。这也是我们这些地球居民短暂生命的意义所在,我们拥有对家园、对世间万物、对宇宙的思索。地球上的你我都生存在这片小小的叶子上,在辽阔无垠的宇宙中,一切生命都只是转瞬即逝的,因为生命跟那些行星、恒星、星系一样都不过是从有序到混沌的宇宙旅程中的匆匆过客。但是这并不意味着生命是无足轻重的,因为我们好奇,所以我们追求真知:因为我们的觉醒,才有了对宇宙的认知。从某种意义上讲生命就是宇宙认知自我的过程,在我看来我们存在的意义恰恰在于我们对这个神奇宇宙的无尽探索和认知的无限欲望。




https://blog.sciencenet.cn/blog-566204-673152.html

上一篇:天若有情天亦老,不学物理死得早。苦逼物理男们乐呵乐呵
下一篇:不死神兔的繁衍生息——神奇的斐波那契数列
收藏 IP: 113.200.77.*| 热度|

3 苏德辰 黄智生 强涛

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (4 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-12-22 14:28

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部