宇宙如何终结新解:幻影能量造成大撕裂

2019-11-10   技术力量

宇宙如何终结新解

想想宇宙尺度上的地球末日:除非发生可怕的人为灾难或及小行星撞击的大灾难,否则地球的最后时刻可能会在220亿年后的某天来临,地球将被撕裂。

科学家认为,宇宙大爆炸之后已经膨胀了138亿年,这种膨胀实际上正在加速,一种称为“幻像能量”的暗能量形式的存在可能导致宇宙的膨胀加速得如此之快,当这种膨胀超过宇宙学常数,宇宙“大撕裂”最终会发生。

右侧为遥远的星系在可见光波段的光谱,左侧是太阳的光谱比较,可以看见谱线朝红色的方向移动,即波长增加

1998年,天体物理学家发现宇宙的膨胀开始加速,他们注意到遥远的Ia型超新星比预期的要暗,这是因为它们正在加速远离地球。根据宇宙红移学说,在一个不断膨胀的空间中,一个星体相对于另外一个星体加速远离时,目标星体的光谱中会观察到的红移现象,其红移增加的比例与距离成正比。换句话说,目标星体距离地球越远,这个星体正在加速远离地球,并在光谱中出现红移现象。反之则出现蓝移现象。

光源相对观测者的运动导致红移和蓝移

阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论认为,宇宙膨胀由于引力会减速,但是迄今为止的发现却指向了相反的方向,因为很明显,宇宙膨胀的速度比以前快,星系与星系之间彼此更远了。

广义相对论认为,宇宙膨胀由于引力会减速

为了解释这种矛盾,科学家们推断,宇宙膨胀的加速很可能是由于一种暗能量所致。它约占宇宙质量能的68%,表明引力并不是影响宇宙运动的唯一力量。

为了使其具有加速作用,随着宇宙的膨胀,暗能量的数量将需要增加。 它需要在不增加物质的情况下出现,这样引力才不会增加,从而使宇宙的增长速度逐渐稳定地加速。 实际上,暗能量最简单的形式就是“宇宙常数”:宇宙的体积越大,为了跟上步伐,暗能量就越多地存在,但是能量的强度不会改变。 多余的能量将通过多余的空间来补偿。

暗能量和幻影能量不同:暗能量在膨胀过程中稀释,如果宇宙以恒定的能量密度膨胀,暗能量就会被稀释。但是幻影能量随着幻影能量的增加而变得更加强烈其,能量密度会随着时间的推移而增加。密度的增长将迫使宇宙以不断增长的速度膨胀。幻影能量最终将宇宙撕裂,因为宇宙的膨胀超过了宇宙常数,它引力性地解除了物体的束缚。幻影能量最终会变得如此强大,以致于支配其它力量。

膨胀宇宙的“葡萄干面包”模型,其中相对距离随着空间的增加而增加

1929年埃德温·哈勃发现,大多数星系正在远离银河系,而最远的星系正在以最快的速度移动。这一发现导致了哈勃常数的产生,该常数与宇宙膨胀的距离和速度相关。

1998年宇宙膨胀加速的发现表明,宇宙常数可以具有正的非零值。 宇宙似乎是动态的,因为幻象能量的存在。暗能量实际上可能会在宇宙时间内,在固定的空间内变得越来越密。 因此,根据宇宙常数,“幻影能量”的存在将假设宇宙的几何形状是平坦的。

通过增强,幻影能量变得越来越排斥,并且将宇宙推向更快,更大的膨胀。 就宇宙的“状态方程”而言,压力与能量密度之比将会改变,因此宇宙常数通常等于负一,这表明能量密度和负压是恒定的,并且在整个过程中都存在张力。 宇宙,对于幻影能量,状态方程将比负的负数更多。

宇宙大撕裂

这意味着所有已知物质(随时间减少或保持不变)都会通过加速而失去能量。 由于幻象能量,宇宙膨胀的越多,键的结合就越松散。 可见的宇宙(即我们可以在我们周围观察到的宇宙)会缩小,以至于我们甚至最终无法看到邻近的星系,因为这些星系变得越来越孤立,并且宇宙变得越来越大。 当幻象能量变得足够强大时,它将克服引力,这将导致星系团被撕裂,然后在最后的十亿分之一秒内,星系,恒星,行星,卫星等将直接被撕裂为原子状态。

如果幻影能量的预期效果得以发挥,那么由此产生的暴力将代表宇宙的相当戏剧性的终结。 银河系将在所谓的宇宙大撕裂之前6000万年被摧毁,太阳系将在3个月后解体,地球在最后30分钟内爆炸。

的确,幻影能量符合爱因斯坦的理论,因为它是在膨胀的宇宙,而不是它所包含的粒子。 这也是典型现象的特例,典型现象是暗能量的另一种形式,被认为是宇宙加速膨胀的基础。 与宇宙学常数不同,正如我们已经用幻影能量看到的那样,暗能量随时空变化,物理学家说这是第五种基本力。 取决于其动能与势能之比,暗能量既具有吸引力又具有排斥力。

科学界提出幻影能量的理论几年后,俄罗斯科学院核研究所的科学家们思考了“大撕裂”如何破开黑洞的问题。 维亚切斯拉夫·杜库恰耶夫团队进行一些计算,然后证明幻影能量会落入黑洞,并最终使它的质量变小,直到消失为止

在这种情况下,黑洞的内容物基本上被溶解了。 计算表明,幻影能量越多地落入黑洞,其质量就越小,直到在大裂口之前,它会完全消失。另外,大爆炸可能发生在140亿年的时间段当中,这意味,整个世界可能正处于“中年危机”之中。

约翰·霍普金斯大学的天文学家说,引起加速的能量场可能会打开和关闭。 例如,在大爆炸的一秒钟之内就发生了快速扩张。

考虑到这种早期的暗能量,人们试图调整早期宇宙的模型,也许是通过在其早期向宇宙中添加更多的中微子,以使更多的能量得以存储和激发。 因此,我们今天看到的加速很有可能是暂时的。 然而,越来越多的证据表明暗能量正在增加。

一些科学家一直在研究类星体,他们认为类星体比Ia型超新星更远,因此可以用它们来替代Ia超新星成为“标准烛光”,用于探测宇宙历史中更早的时代。

类星体观测结果证明暗能量随着宇宙时间的增加而增加

科学家利用来自7000多个类星体的X射线数据以及紫外线的观测结果(其比率取决于紫外线的发光度),再次指出,暗能量随着宇宙时间的增加而增加,因此该结果排除了宇宙学常数。 使用类星体的缺点在于,它们不是标准烛光,因为它们可以随着时间的流逝而演化,但是,通过将其结果与1a型超新星衍生的结果进行交叉核对,存在很大的相似性,从而使研究更加牢固。

然而,还有进一步的理论。 一些天文学家认为,暗物质和暗能量不是分开的,而是“遍布整个宇宙的负质量的单一,统一暗流体”的一部分。 该理论修改了爱因斯坦广义相对论,并假设在不同方向上具有不同的膨胀率以及负质量的存在。 也就是说,这种流体是自我创造的。这种流体具有一种“负引力”,排斥周围的所有其它物质,这表明我们的宇宙在正负性质上都是对称的。

尽管暗流体理论受到了其它科学家的质疑,但这种理论无法排除幻影能量。不断增长的暗能量,也称为幻影,可以用场或暗流体来描述。与标量场相比,暗流体更依赖于幻影能量物理学的现象学描述, 可以避免标量场描述中固有的某些不稳定性。

实际上,暗流体理论描述是一种围绕不稳定性的方法,如果有证据证明这种方法,则可以提供一种更深入地理解幻影能量的途径。

当然,这还远非结论性的。幻影能量,乃至整个暗能量问题,将继续困扰着天文学家。