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如果宇宙以大坍縮結束,所有空間都會收縮回去嗎?


居家科學家已經存在了上百億年的宇宙目前還在膨脹,但如果宇宙的臨界密度比較小,那麼,引力最終會戰勝暗能量,宇宙將會迎來大坍縮的結局。那麼,在這...

- 2019年3月09日17時58分
- 科學文摘 / 居家科學家

居家科學家

已經存在了上百億年的宇宙目前還在膨脹,但如果宇宙的臨界密度比較小,那麼,引力最終會戰勝暗能量,宇宙將會迎來大坍縮的結局。那麼,在這種情況下,宇宙空間會停止膨脹並轉向坍縮嗎?最終的結局又會是什麼?

首先一個問題,空間本身真的在膨脹嗎?

當天文學家觀測的遙遠河外星系時發現,那些星系發出的光出現了紅移的現象。波長是光的最重要參數,它決定光的顏色、頻率、能量和動量。


當原子躍遷時,電子從一個能級躍遷到另一個能級,這個過程將會伴隨著光子的吸收或者發射。由於每個能級有特定的值,這意味著被吸收或發射的光子會有特定的波長。因此,可以利用光譜來分析元素的存在和豐度,天文學家可以用來研究恆星和星系。

紅移的星系

當年哈勃測量星系的光譜時,有了令人意想不到的發現。除了極少數鄰近星系的光譜出現了藍移,其他幾乎都是紅移,並且紅移程度隨著距離的增加而變大。

早期天文學家對於這種現象有兩種解釋,一種解釋是星系的紅移和藍移可能是由單個星系運動引起的,因為向我們運行的星系會出現藍移,而遠離我們的星系會出現紅移。還有一種解釋是紅移可能是由於空間結構本身的膨脹造成的,遙遠星系發出的光在膨脹空間中傳播,其波長被拉伸,從而導致紅移。

事實上,這兩種效應同時存在。星系之間確實是相對運動的,因為來星系之間存萬有引力,這會把星系之間的距離互相拉近。然而,時空結構本身也不可能保持不變。

膨脹的宇宙


在廣義相對論中,時空是一種動態的實體。物質和能量在最大尺度上相對均勻地分布,宇宙不可能保持靜態。宇宙要麼在膨脹,要麼在坍縮。我們不能僅從基本原理來推導出宇宙的狀態,而且還需要實際觀測數據的支持。

一系列的觀測數據表明,宇宙的結構正在膨脹。但這並不意味著宇宙會一直膨脹,也不意味著沒有星系在膨脹空間中存在運動。從上圖可以看到,很少有星系恰好落在紅移距離關係的最佳擬合線上。

這條線對應於空間的整體膨脹,但是實際的數據點可以落在擬合線的任意一邊。這是因為在不斷膨脹的宇宙中,星系之間確實有著相對運動,包括我們的銀河系,相對於宇宙的哈勃膨脹,銀河系的運動速度約為370千米/秒。

然而,隨著觀測距離的逐漸增加,就能完全排除個別星系運動對所觀測到的紅移值產生影響。觀測到的數據與廣義相對論的預言相一致,所以可以確定,空間本身的結構確實膨脹,遙遠星系在快速退行的原因是宇宙在膨脹。

坍縮的宇宙


然而,宇宙膨脹並不是唯一可能的解決方案。如果我們看一下控制宇宙膨脹的方程,我們會發現一些有趣的事情:方程沒有給出宇宙膨脹率的值,而是給出了宇宙膨脹率平方的值。

乍一看可能不會有什麼沒問題,宇宙膨脹率的平方等於4,只要開根號就能得到宇宙膨脹率為2。問題就出在這裡,4的平方根可以是2,也可以是-2。當我們解膨脹率的方程時,可以得到一個膨脹的宇宙。但同時,也可以得到一個膨脹率為負的宇宙,這對應於一個坍縮的宇宙。

即使我們知道宇宙目前正在膨脹,但沒有什麼能阻止宇宙達到最大的尺寸之後,停止膨脹,然後轉向坍縮。如果宇宙最終的結局是大坍縮,那麼,宇宙顯然還沒有迎來轉折點。

但天文學家測量宇宙不同時間段的膨脹率式時發現,膨脹率的變化不大可能會降至零,並逆轉為負。膨脹率隨時間變化的方式,取決於宇宙中物質和能量的總量和類型。由於宇宙中的物質和輻射太少,暗能量太多,引力似乎無法戰勝暗能量,這意味著宇宙有可能就這麼一直膨脹下去。

除非暗能量是動態的,其密度能夠隨時間變化。如果暗能量隨著空間膨脹而逐漸衰減,這就有可能導致宇宙以大坍縮結束。儘管這些變化的時間尺度要比目前的宇宙年齡長得多,但在理論上仍有可能發生。如果宇宙最終發生坍縮,那麼,這會導致空間變得越來越小,最終小到宇宙起源時的狀態——奇點。


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