文：布兰登·斯派克特              2022 年 5 月 2 日

艺术家对宇宙大爆炸几亿年后早期宇宙恒星形成的印象。

图片：美国宇航局

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

在这篇新论文中，三位科学家试图根据过去对宇宙膨胀的观察，来模拟暗能量的性质——一种似乎导致宇宙膨胀得更快的神秘力量。在团队的模型中，暗能量不是自然的恒定力量，而是一种叫做精髓的实体，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代，它将结束数十亿年的时间和空间而死亡——或者也许是重生。

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“非常”迅速地发生。

“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《生活科学》。“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格雷.欣肖告诉 《生活科学》，这个理论没有任何争议或不可信。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——本文中的预测目前无法检验。目前，它们只能保留理论。

虚空的能量

自 1990 年代以来，科学家们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。科学家们将这种加速暗能量的神秘来源命名为一种看不见的实体，它似乎与重力相反，将宇宙中最巨大的天体推得更远，而不是把它们拉在一起。

尽管暗能量约占宇宙总质量能量的 70%，但它的性质仍然是个谜。阿尔伯特.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，并且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精髓的东西——一种随时间变化的动态场。（斯坦哈特是在 1998 年发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文中，介绍这一想法的三位科学家之一。）

与宇宙常数不同，精髓可以是排斥的或有吸引力的，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，精髓是排斥的。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，斯坦哈特说。大约 50 亿年前，当精髓成为支配成分，其引力排斥效应导致宇宙加速膨胀时，这种情况发生了变化。

“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

在他们的研究中，斯坦哈特和他的同事、纽约大学的安娜.伊亚斯和普林斯顿大学的科斯明.安德烈，预测了未来数十亿年精粹的特性将如何变化。为此，该团队创建了一个精髓的物理模型，随着时间的推移显示出它的排斥力和吸引力，以适应过去对宇宙膨胀的观察。一旦团队的模型能够可靠地再现宇宙的膨胀历史，他们就会将预测扩展到未来。

“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，”欣肖说。“它的力量会减弱。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可能开始的快速下降之中。

在这种情况下，宇宙的加速膨胀今天已经在放缓。很快，也许在大约 6500 万年内，这种加速可能会完全停止——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，以至于任何假设的人类还活着在地球上，甚至都不会注意到这种变化。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？

斯坦哈特说，从那里开始，两种情况之一可能会发生。要么宇宙收缩，直到它在一次大的“紧缩”中坍缩，结束我们所知道的时间-空间——或者，宇宙收缩到足以恢复到与其原始条件相似的状态，以及另一个大爆炸——或者一个大的“反弹”——发生了，从旧宇宙的灰烬中创造出一个新的宇宙。

在第二种情况下（斯坦哈特和另一位同事，在 2019 年《物理学快报 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的一个宇宙，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。

这一切有多合理？欣肖说，新论文对精髓的解释是，“对暗能量是什么的完全合理的假设”。他补充说，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。因此，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，我们才能知道。

“我认为这真的归结为你认为这个理论有多令人信服，更重要的是，你认为它有多少可测试？”欣肖补充道。

不幸的是，没有很好的方法来检验精髓是否真实，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相匹配的问题——作者在他们的新论文中做到了这一点。未来是无限增长还是快速衰退，等待着我们的宇宙，只有时间会证明一切。