人类曾经以为,宇宙在整体上是静态的,它既不会扩张,也不会收缩,但后来科学家却发现实际情况并非如此,因为观测数据表明,宇宙是处于一种持续膨胀的状态。也就是说,宇宙在整体上其实是动态的,这就引出了一个问题:随着宇宙的演化,它最终的结局会是什么呢?
对于这个问题,科学家提出了两种猜测,我们可以将其称为“大坍缩假说”和“热寂假说”,为了方便理解,我们不妨用一个思想实验来进行说明。
想象一下,现在有一个人站在地球表面,然后他向天空扔出了一块石头,会出现什么样的情况呢?从理论上来讲,在不考虑空气阻力等干扰因素的情况下,可能会存在两种情况。
第一种情况是:如果这个人的力气不够大,扔出的石头速度不够快,那么被他扔出的石头首先会向天空飞出一段距离,但在地球引力的作用下,石头向上的速度却会越来越慢,并最终停止,然后掉头落向地球表面,而在掉落的过程中,它落向地面的速度则会越来越快。
第二种情况则是:如果这个人的力气特别大,以至于他扔出的石头的速度达到或超过了地球的逃逸速度,也就是第二宇宙速度,那么这块石头就会离地球越来越远,尽管其远离地球的速度会因为地球的引力而越来越慢,但它却会一直处于远离地球的过程中,永远都不会重新掉到地面上。
可以看到,在上述思想实验中,其实存在着一个临界速度,同样的道理,对于整个宇宙来讲,其实也存在着这样一个临界速度。
如果宇宙膨胀的速度低于这个临界速度,那么当宇宙膨胀到一定的程度时,它就会因为引力的作用而停止膨胀,然后开始坍缩,并且其坍缩的速度会越来越快,并最终重新坍缩为“奇点”状态,而这就被称为大坍缩。
另一方面来讲,假如宇宙膨胀的速度达到或超过了这个临界速度,那么宇宙就会永远地膨胀下去,在这个过程中,宇宙的温度就会越来越低,能量的分布越来越均匀,熵也越来越高,当达到极致的时候,宇宙中就不会存在任何能量的差异与波动,而这样的结局,就被称为热寂。
在过去的很长一段时间里,人们能够想到的宇宙结局基本上就是上述的两种,于是科学家就开始研究,宇宙到底会终结于大坍缩还是热寂,然而科学家在深入研究后却发现,大坍缩和热寂,可能都不是宇宙最终的结局。怎么回事呢?我们接着看。
前文提到的宇宙的临界速度,其实是由宇宙整体上的引力决定的,根据万有引力定律,我们只需要知道宇宙的质量,就可以计算出宇宙整体上的引力大小,并据此计算出这个临界速度,然后再将其与我们实际观测到的宇宙膨胀速度进行对比,就可以确定宇宙到底会终结于大坍缩还是热寂。
然而我们根本就无法精确地测量出宇宙的质量,怎么办呢?科学家想到了一个巧妙的方法,其思路大概是这样的:在引力的作用下,宇宙膨胀的速度应该是越来越慢,所以我们只需要测量出宇宙在过去不同时间段的膨胀速度,再将它们进行对比,就可以确定宇宙膨胀的加速度,进而计算出宇宙整体上的引力。
需要知道的是,由于光速是有限的,无论是什么天体发出的光,都需要一定的时间才能抵达地球,距离越远,需要的时间就越长。
比如说1光年外的天体,它发出的光就需要1年才能抵达地球,100亿光年外的天体,则需要100亿年,而这也就意味着,我们现在观测到的那些遥远的天体,其实都是它们在过去的样子,所以我们只需要对不同距离的天体状态进行观测,就可以知道宇宙在过去的不同时间段里的状态。
由此可见,这个方法是可行的。在1998年的时候,两个研究团队分别公布自己的研究结果,他们的测量数据均表明,越早期的宇宙,其膨胀速度就越慢,而这也就意味着,宇宙的膨胀并没有像之前想象中的那样越来越慢,而是处于一种加速膨胀的状态。
这样的情况,令科学家们的眼镜碎了一地,然而后续的研究又多次证明了,宇宙确实在加速膨胀,于是这两个研究团队中的三位科学家因此获得了2011年的诺贝尔物理学奖。
既然宇宙在加速膨胀,就说明了有一种力量在推动着整个宇宙,那这种力量到底是什么呢?很遗憾,迄今为止,这仍然是一个未解之谜,我们只知道有这样一种力量,但不知道它究竟是什么,于是这种力量就被科学家称为暗能量。
暗能量的发现,也让科学家提出了一种新的理论,即:宇宙可能并不会终结于大坍缩或者热寂,而是会终结于“大撕裂”。
该理论认为,宇宙的加速膨胀,就意味着暗能量的密度一直在增加,由于暗能量在宇宙中是均匀分布的,因此随着暗能量的不断增加,宇宙受到暗能量的影响也越来越大,随着这个过程的持续,当达到一定程度时,宇宙中的四大基本力就将无法与暗能量抗衡,而到了那个时候,宇宙中所有的物质都将被暗能量撕裂,无论是大如恒星,还是小如原子。
当然了,这也只是根据我们目前对宇宙的认知而提出的一种猜测,所以大家看看就成,不必太过当真。