作為智慧生命，宇宙的起源和終極命運是人類一直關(guān)心的大命題。關(guān)于宇宙的起源，當(dāng)前獲得學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可的是“宇宙大爆炸理論”，該理論認(rèn)為宇宙誕生于約137億年前的大爆炸，也就是說宇宙是由極度高溫高密的奇點爆炸后形成的。然而，關(guān)于宇宙的終極命運，卻有多種理論假說，主要包括 “大撕裂”、“大凍結(jié)”和“大坍縮”。

圖1：我們都是好奇寶寶，想要知道萬事萬物源于何方，又將終于何處。

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主宰宇宙終極命運的兩大關(guān)鍵因素：宇宙的幾何結(jié)構(gòu)和暗能量的屬性

為了弄清宇宙的最終命運究竟會如何，研究者首先需要厘清主宰它的主要因素有哪些。從目前的研究來看，宇宙的幾何結(jié)構(gòu)（ 或者說宇宙的空間曲率）和暗能量的屬性是決定宇宙最終歸宿的兩大主因。

宇宙的幾何結(jié)構(gòu)包括閉合、平直和開放三種可能性，分別對應(yīng)著空間曲率大于、等于和小于零，這三種情形可分別類比于二維的球面、平面和馬鞍面（圖2）。關(guān)于宇宙幾何結(jié)構(gòu)的更多信息，大家可以閱讀我們2019年12月3日刊出的“宇宙有邊么？它是個什么形狀”一文。

圖2：宇宙的三種空間幾何結(jié)構(gòu)：閉合、平直和開放空間，如圖所示可分別類比于球面、平面和馬鞍面。

圖片來自https://courses./astronomy/

自1998年科學(xué)家通過天文觀測發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹以來，有一大批的理論方案被陸續(xù)提出，并用于解釋這一現(xiàn)象，而其中最主流的觀點認(rèn)為宇宙中均勻彌漫著一種“負(fù)壓”組分，它所產(chǎn)生的“負(fù)引力”或稱“斥力”克服了物質(zhì)（包括普通物質(zhì)和暗物質(zhì)）所產(chǎn)生的引力，從而驅(qū)使宇宙加速膨脹，這種未知的力量被稱為“暗能量”。

暗能量的性質(zhì)通常用它的狀態(tài)方程（就是壓強與密度之比）來刻畫。不同的模型下暗能量的狀態(tài)方程不同。有些模型下暗能量的狀態(tài)方程是不隨時間變化的常數(shù)，而這個常數(shù)可能等于-1，也可能大于或小于-1。還有些模型下暗能量狀態(tài)方程是隨時間變化的，就是說狀態(tài)方程可能由大于-1隨時間演變?yōu)樾∮?1，也有可能由小于-1變?yōu)榇笥?1。暗能量狀態(tài)方程等于-1時它的密度是不隨時間演化的常數(shù)，大于-1時密度會隨著時間的增加而減小，而小于-1時密度會隨著時間的增加而增大。

大撕裂：宇宙中的所有物質(zhì)最終將瓦解為不受束縛的基本粒子和輻射

“大撕裂”（Big Rip）假說認(rèn)為如果暗能量的密度隨著時間增加而增加，不管宇宙的空間結(jié)構(gòu)是閉合、平直還是開放的，隨著宇宙的不斷膨脹所有物質(zhì)（甚至?xí)r空本身）最終都會被逐漸撕碎。如果暗能量是狀態(tài)方程小于-1的“幽靈暗能量”（phantom dark energy），那么它的密度隨著時間的推移而不斷增加，從而導(dǎo)致宇宙膨脹的速度越來越快，最終就會使得宇宙中的所有物質(zhì)都瓦解為不受束縛的基本粒子和輻射。

大凍結(jié)：宇宙溫度最終將趨于絕對零度

“大凍結(jié)”（Big Chill/Big Freeze）也被稱為“熱寂”（heat death）。這種假說認(rèn)為隨著宇宙的膨脹，氣體作為恒星形成所必需的材料，變得越來越稀薄，最終會不足以支撐新的恒星形成。隨著恒星形成的停止，宇宙溫度越來越低，并最終演化到一種沒有熱力學(xué)自由能的狀態(tài)，也就是達到熱力學(xué)平衡 （即具有最大熵），同時宇宙溫度也將趨近（但并未達到）絕對零度（零下273.15攝氏度），從而任何宏觀物理過程和生命都不復(fù)存在。

看到“大凍結(jié)”這個詞，筆者腦海中立馬浮現(xiàn)出的是動畫電影《冰川時代》中的景象（圖3）。不過“大凍結(jié)”時期的溫度可要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于“冰川時代”的。在暗能量狀態(tài)方程等于-1的情況下，“大凍結(jié)”不僅在平直和開放的宇宙空間結(jié)構(gòu)下可能發(fā)生，甚至在閉合的宇宙中也有可能發(fā)生。在平直或開放的宇宙中，無論暗能量的狀態(tài)方程等于何值，“大凍結(jié)”的結(jié)局都是可能出現(xiàn)的。

圖3：“大凍結(jié)”很容易讓人聯(lián)想到電影《冰川時代》中的景象。不過“大凍結(jié)”時的溫度趨于絕對零度（零下273.15攝氏度），這個溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于“冰川時代”的。

圖片來自www.pandora-magazine.com

大坍縮：物質(zhì)的引力作用使得宇宙最終停止膨脹并發(fā)生坍縮

“大坍縮”（Big Crunch）假說認(rèn)為由于物質(zhì)的引力作用宇宙的膨脹速度會不斷變慢，從而終將停止膨脹并發(fā)生坍縮。然而在坍縮之后又將發(fā)生什么尚不能確定。其中一種可能性就是宇宙坍縮到它的初始狀態(tài)并再次發(fā)生大爆炸，從而使得宇宙處于“大爆炸”到 “大坍縮”再到“大爆炸”這樣一種循環(huán)的狀態(tài)。從目前的宇宙學(xué)觀測來看，產(chǎn)生負(fù)壓的暗能量肯定存在，而且它的密度高于物質(zhì)的，因此宇宙的膨脹不會停止，“大坍縮”是不太可能發(fā)生的。

圖4：示意圖展示了宇宙終結(jié)的三種可能方式。

圖片來自https://supernova./exhibition/1109/?lang=en

普朗克衛(wèi)星觀測所支持的閉合空間，意味著宇宙將擁有怎樣的終極命運？

歐洲普朗克(Planck)衛(wèi)星于近期所發(fā)布的觀測結(jié)果，在約3倍標(biāo)準(zhǔn)差的置信度上支持空間閉合的宇宙，然而由于暗能量的本質(zhì)屬性尚且不知，因此宇宙未來的命運可能是“大撕裂”，也可能是“大凍結(jié)”，同時也有可能是先發(fā)生“大凍結(jié)”再進入“大撕裂”。

作者簡介

陳云，國家天文臺副研究員。2007年從大連理工大學(xué)物理系本科畢業(yè)。2012年獲北京師范大學(xué)天文系博士學(xué)位。曾先后在臺灣清華大學(xué)、中科院國家天文臺從事博士后研究工作。研究內(nèi)容主要包括暗能量的理論和觀測檢驗、強引力透鏡的宇宙學(xué)應(yīng)用，以及中微子質(zhì)量的宇宙學(xué)測定。