研究提出这个宇宙可能“惊人快”的停止膨胀

By Brandon Specktor 

2022/5/3

新的研究提出在刚好1亿年内，这个宇宙可能开始来萎缩。

艺术家的在大爆炸后几亿年早期宇宙中恒星形成的印象。 (Image credit: NASA)

发表在《美国国家科学院院刊》上的一项新研究提出，在近138亿年的不停止的扩张后，这个宇宙可能很快碾到一个停滞，然后慢慢开始来收缩。

在这篇新论文中，三位科学家试图基于过去宇宙膨胀的观察来模拟暗能量的本质 ------一种神秘的似乎正在造成宇宙膨胀得越发更快的力。在该团队的模型中，暗能量不是一种自然的恒定力，而是一种被称为第五原质的实体，这能随着时间衰变。

研究人员发现了即便这个宇宙的扩张一直加速数十亿年，但暗能量的排斥力可能正在减弱。按照他们的模型，宇宙的加速可能在未来6500万年内快速的结束------然后在1亿年内，这个宇宙可能一道停止扩张，相反它可能进入一个缓慢收缩的纪元，从现在到死数十亿年------ 或者可能时间和空间的重生------结束。

该研究的共同作者新泽西州普林斯顿大学普林斯顿理论科学中心主任保罗斯顿哈特说，而这一切都可能“显著快”的发生。

      斯坦哈特告诉生活科学杂志，“走回到时间中6500万年，那是当希克苏鲁伯小行星撞击地球并消灭恐龙的时候，在一个宇宙尺度上，6500万年是惊人的短” 。

不列颠哥伦比亚大学物理学和天文学教授加里·欣肖告诉生活科学杂志，关于这个理论没有什么是有争议的或不承诺的，他没有参与这项研究。然而，因为该模型仅绞在过去扩张的观测上-------并且因为宇宙中暗能量的当前性质是如此一个秘密------ 本论文中的预测目前不可能测试。就目前而言，它们只能仍然是理论。

空无的能量

自1990年代以来，科学家们已经明白宇宙的扩张正在加速起来，星系之间的空间现在比它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暗能量------一种看不见的似乎与引力相反工作的实体，，将这个宇宙的最大质量天体推得更远离开而不是将它们拉在一起。

虽然暗能量约占宇宙总质量能量的70%，但它的属性仍然是一个完全的谜。一个由阿尔伯特·爱因斯坦引入的流行理论是暗能量是一个宇宙学常数------一种编织进空时的织造中不变化的能量形式。如果是这样的话，由暗能量施加的力能永远不改变，然后宇宙应该永远继续膨胀（和加速）。

然而，一个竞争的理论提出暗能量不需要是恒定的来适应对过去宇宙扩张的观察。相反，暗能量可能是某种叫做第五原质的东西------一个随时间变化的动态场。（斯坦哈特是三位在一篇1998年物理学审查来信期刊论文中引入了这个想法的科学家之一)

与宇宙学常数不一样，第五原质能是要么排斥的要么有吸引力的，这取决于它在一个给定时间的动能和势能之比。在早期的宇宙中，第五原质是有吸引力的，宇宙扩张正在减速，后来------也许是大约100亿年前，斯坦哈特已经提出------宇宙中物质和能量的平衡变化了，第五原质变得排斥的，加速宇宙的扩张。

斯坦哈特说，“我们在这篇论文中提出的问题是，'这种加速必须永远持续下去吗？'如果没有，其他选择是什么，事情多快变化？”

暗能量之死

在他们的研究中，斯坦哈特和他的同事们预测了第五原质的属性可能在未来几十亿年内会怎样变化。为此，该团队创建了一个第五原质的物理模型，显示随时间它的吸引力和排斥力量，以配合过去宇宙扩展的观察。一旦该团队的模型能够可靠的再现宇宙的膨胀历史，他们扩展了他们的预测进入未来。

欣肖说，“令他们惊讶的是，他们模型中的暗能量能随着时间衰变”。“它的力量能减弱。如果它确实以某种方式这样做，那么最终暗能量的反引力属特会消失，它过渡回到更像普通物质的某种东西。

按照该团队的模型，暗能量的排斥力可能正处于潜在的数百万年前开始的一个快速下降之中。

在这种场景中，宇宙的加速扩张今天已经正在慢下来。很快，也许在大约6500万年内，这种加速可能一起停止------然后从现在1亿年后，暗能量可能会再次变得有吸引力，造成整个宇宙开始来收缩。换句话说，在近140亿年的增长后，太空可能开始来缩小。

斯坦哈特说，“这将是一种非常特殊的我们称之为缓慢收缩的收缩，不是在扩张，而是太空非常非常缓慢的收缩”。

斯坦哈特说，最初，宇宙的收缩会是如此缓慢以至于任何假设的仍然活在地球上的人类甚至都不会注意到一个变化。按照该团队的模型，宇宙会需要几十亿年的缓慢收缩来达到它今天大小的一半左右。

宇宙的终结？

斯坦哈特说从那里可能会发生两件事之一。宇宙要么收缩直到它在一次大的“碾压”中坍塌进它自己，结束我们知道它的空时------要么宇宙收缩到足以恢复到一种类似于它的原始条件的状态，另一次大爆炸------或者一次大的“反弹”------发生，从旧宇宙的灰烬创造一个新的宇宙。

在第二种场景中（斯坦哈特和另一位同事在2019年发表在《物理快报B》杂志上的一篇论文中描述了这种情况），宇宙遵循一种扩张和收缩、碾压和反弹恒定的坍塌和重新制造它的周期性模式。斯坦哈特说，如果这是真的，那么我们目前的宇宙可能不是第一个或唯一的宇宙，而只是一系列无限宇宙中的最新一个，这些宇宙在我们的之前已经扩展和收缩。而这一切都绞在暗能量的可改变的本质上。

这一切有多合理？欣肖说，新论文的第五原质的解释是一个“暗能量是的的完美合理的假设”。他补充说，因为我们的对宇宙扩张的所有观测都来自距离地球数百万至数十亿光年的天体，因此当前的数据只能告知科学家关于宇宙的过去，而不是现在或未来。因此，宇宙很可能正在加速走向一个碾压，直到收缩相开始很久之前我们不会有知道的方式。

欣肖补充道，“我认为这真的刚好归结为你发现这个理论怎样多有说服力的，更重要的是，你发现它是多可测试的呢？”。

不幸的是，斯坦哈特承认来测试第五原质是否是真的没有好的方法或者是否宇宙扩张已经开始了放缓。就目前而言，这只是一个将这个理论与过去的观察结果相适配的事情------作者在他们的新论文中能够做到这一点。究竟是一个无休止增长的未来还是快速衰变的未来等待着我们的宇宙，只有时间将告诉。

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最初发表于Live Science。

https://www.livescience.com/end-cosmic-expansion