宇宙如何終結新解:幻影能量造成大撕裂

2019-11-10     技術力量

宇宙如何終結新解

想想宇宙尺度上的地球末日:除非發生可怕的人為災難或及小行星撞擊的大災難,否則地球的最後時刻可能會在220億年後的某天來臨,地球將被撕裂。

科學家認為,宇宙大爆炸之後已經膨脹了138億年,這種膨脹實際上正在加速,一種稱為「幻像能量」的暗能量形式的存在可能導致宇宙的膨脹加速得如此之快,當這種膨脹超過宇宙學常數,宇宙「大撕裂」最終會發生。

右側為遙遠的星系在可見光波段的光譜,左側是太陽的光譜比較,可以看見譜線朝紅色的方向移動,即波長增加

1998年,天體物理學家發現宇宙的膨脹開始加速,他們注意到遙遠的Ia型超新星比預期的要暗,這是因為它們正在加速遠離地球。根據宇宙紅移學說,在一個不斷膨脹的空間中,一個星體相對於另外一個星體加速遠離時,目標星體的光譜中會觀察到的紅移現象,其紅移增加的比例與距離成正比。換句話說,目標星體距離地球越遠,這個星體正在加速遠離地球,並在光譜中出現紅移現象。反之則出現藍移現象。

光源相對觀測者的運動導致紅移和藍移

阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論認為,宇宙膨脹由於引力會減速,但是迄今為止的發現卻指向了相反的方向,因為很明顯,宇宙膨脹的速度比以前快,星系與星系之間彼此更遠了。

廣義相對論認為,宇宙膨脹由於引力會減速

為了解釋這種矛盾,科學家們推斷,宇宙膨脹的加速很可能是由於一種暗能量所致。它約占宇宙質量能的68%,表明引力並不是影響宇宙運動的唯一力量。

為了使其具有加速作用,隨著宇宙的膨脹,暗能量的數量將需要增加。 它需要在不增加物質的情況下出現,這樣引力才不會增加,從而使宇宙的增長速度逐漸穩定地加速。 實際上,暗能量最簡單的形式就是「宇宙常數」:宇宙的體積越大,為了跟上步伐,暗能量就越多地存在,但是能量的強度不會改變。 多餘的能量將通過多餘的空間來補償。

暗能量和幻影能量不同:暗能量在膨脹過程中稀釋,如果宇宙以恆定的能量密度膨脹,暗能量就會被稀釋。但是幻影能量隨著幻影能量的增加而變得更加強烈其,能量密度會隨著時間的推移而增加。密度的增長將迫使宇宙以不斷增長的速度膨脹。幻影能量最終將宇宙撕裂,因為宇宙的膨脹超過了宇宙常數,它引力性地解除了物體的束縛。幻影能量最終會變得如此強大,以致於支配其它力量。

膨脹宇宙的「葡萄乾麵包」模型,其中相對距離隨著空間的增加而增加

1929年埃德溫·哈勃發現,大多數星系正在遠離銀河系,而最遠的星系正在以最快的速度移動。這一發現導致了哈勃常數的產生,該常數與宇宙膨脹的距離和速度相關。

1998年宇宙膨脹加速的發現表明,宇宙常數可以具有正的非零值。 宇宙似乎是動態的,因為幻象能量的存在。暗能量實際上可能會在宇宙時間內,在固定的空間內變得越來越密。 因此,根據宇宙常數,「幻影能量」的存在將假設宇宙的幾何形狀是平坦的。

通過增強,幻影能量變得越來越排斥,並且將宇宙推向更快,更大的膨脹。 就宇宙的「狀態方程」而言,壓力與能量密度之比將會改變,因此宇宙常數通常等於負一,這表明能量密度和負壓是恆定的,並且在整個過程中都存在張力。 宇宙,對於幻影能量,狀態方程將比負的負數更多。

宇宙大撕裂

這意味著所有已知物質(隨時間減少或保持不變)都會通過加速而失去能量。 由於幻象能量,宇宙膨脹的越多,鍵的結合就越鬆散。 可見的宇宙(即我們可以在我們周圍觀察到的宇宙)會縮小,以至於我們甚至最終無法看到鄰近的星系,因為這些星系變得越來越孤立,並且宇宙變得越來越大。 當幻象能量變得足夠強大時,它將克服引力,這將導致星系團被撕裂,然後在最後的十億分之一秒內,星系,恆星,行星,衛星等將直接被撕裂為原子狀態。

如果幻影能量的預期效果得以發揮,那麼由此產生的暴力將代表宇宙的相當戲劇性的終結。 銀河系將在所謂的宇宙大撕裂之前6000萬年被摧毀,太陽系將在3個月後解體,地球在最後30分鐘內爆炸。

的確,幻影能量符合愛因斯坦的理論,因為它是在膨脹的宇宙,而不是它所包含的粒子。 這也是典型現象的特例,典型現象是暗能量的另一種形式,被認為是宇宙加速膨脹的基礎。 與宇宙學常數不同,正如我們已經用幻影能量看到的那樣,暗能量隨時空變化,物理學家說這是第五種基本力。 取決於其動能與勢能之比,暗能量既具有吸引力又具有排斥力。

科學界提出幻影能量的理論幾年後,俄羅斯科學院核研究所的科學家們思考了「大撕裂」如何破開黑洞的問題。 維亞切斯拉夫·杜庫恰耶夫團隊進行一些計算,然後證明幻影能量會落入黑洞,並最終使它的質量變小,直到消失為止

在這種情況下,黑洞的內容物基本上被溶解了。 計算表明,幻影能量越多地落入黑洞,其質量就越小,直到在大裂口之前,它會完全消失。另外,大爆炸可能發生在140億年的時間段當中,這意味,整個世界可能正處於「中年危機」之中。

約翰·霍普金斯大學的天文學家說,引起加速的能量場可能會打開和關閉。 例如,在大爆炸的一秒鐘之內就發生了快速擴張。

考慮到這種早期的暗能量,人們試圖調整早期宇宙的模型,也許是通過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儲和激發。 因此,我們今天看到的加速很有可能是暫時的。 然而,越來越多的證據表明暗能量正在增加。

一些科學家一直在研究類星體,他們認為類星體比Ia型超新星更遠,因此可以用它們來替代Ia超新星成為「標準燭光」,用於探測宇宙歷史中更早的時代。

類星體觀測結果證明暗能量隨著宇宙時間的增加而增加

科學家利用來自7000多個類星體的X射線數據以及紫外線的觀測結果(其比率取決於紫外線的發光度),再次指出,暗能量隨著宇宙時間的增加而增加,因此該結果排除了宇宙學常數。 使用類星體的缺點在於,它們不是標準燭光,因為它們可以隨著時間的流逝而演化,但是,通過將其結果與1a型超新星衍生的結果進行交叉核對,存在很大的相似性,從而使研究更加牢固。

然而,還有進一步的理論。 一些天文學家認為,暗物質和暗能量不是分開的,而是「遍布整個宇宙的負質量的單一,統一暗流體」的一部分。 該理論修改了愛因斯坦廣義相對論,並假設在不同方向上具有不同的膨脹率以及負質量的存在。 也就是說,這種流體是自我創造的。這種流體具有一種「負引力」,排斥周圍的所有其它物質,這表明我們的宇宙在正負性質上都是對稱的。

儘管暗流體理論受到了其它科學家的質疑,但這種理論無法排除幻影能量。不斷增長的暗能量,也稱為幻影,可以用場或暗流體來描述。與標量場相比,暗流體更依賴於幻影能量物理學的現象學描述, 可以避免標量場描述中固有的某些不穩定性。

實際上,暗流體理論描述是一種圍繞不穩定性的方法,如果有證據證明這種方法,則可以提供一種更深入地理解幻影能量的途徑。

當然,這還遠非結論性的。幻影能量,乃至整個暗能量問題,將繼續困擾著天文學家。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh/5oxqXG4BMH2_cNUglByt.html