宇宙的終極命運會怎樣？它由誰主宰？_風聞

作為智慧生命，宇宙的起源和終極命運是人類一直關心的大命題。關於宇宙的起源，當前獲得學術界廣泛認可的是“宇宙大爆炸理論”，該理論認為宇宙誕生於約137億年前的大爆炸，也就是説宇宙是由極度高温高密的奇點爆炸後形成的。然而，關於宇宙的終極命運，卻有多種理論假説，主要包括 “大撕裂”、“大凍結”和“大坍縮”。

圖1：我們都是好奇寶寶，想要知道萬事萬物源於何方，又將終於何處。

圖片來自http://clipart-library.com/universe-cliparts.html.

主宰宇宙終極命運的兩大關鍵因素：宇宙的幾何結構和暗能量的屬性

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

宇宙的幾何結構包括閉合、平直和開放三種可能性，分別對應着空間曲率大於、等於和小於零，這三種情形可分別類比於二維的球面、平面和馬鞍面（圖2）。關於宇宙幾何結構的更多信息，大家可以閲讀我們2019年12月3日刊出的“宇宙有邊麼？它是個什麼形狀”一文。

圖2：宇宙的三種空間幾何結構：閉合、平直和開放空間，如圖所示可分別類比於球面、平面和馬鞍面。

圖片來自https://courses.lumenlearning.com/astronomy/

自1998年科學家通過天文觀測發現宇宙加速膨脹以來，有一大批的理論方案被陸續提出，並用於解釋這一現象，而其中最主流的觀點認為宇宙中均勻瀰漫着一種“負壓”組分，它所產生的“負引力”或稱“斥力”克服了物質（包括普通物質和暗物質）所產生的引力，從而驅使宇宙加速膨脹，這種未知的力量被稱為“暗能量”。

暗能量的性質通常用它的狀態方程（就是壓強與密度之比）來刻畫。不同的模型下暗能量的狀態方程不同。有些模型下暗能量的狀態方程是不隨時間變化的常數，而這個常數可能等於-1，也可能大於或小於-1。還有些模型下暗能量狀態方程是隨時間變化的，就是説狀態方程可能由大於-1隨時間演變為小於-1，也有可能由小於-1變為大於-1。暗能量狀態方程等於-1時它的密度是不隨時間演化的常數，大於-1時密度會隨着時間的增加而減小，而小於-1時密度會隨着時間的增加而增大。

大撕裂：宇宙中的所有物質最終將瓦解為不受束縛的基本粒子和輻射

“大撕裂”（Big Rip）假説認為如果暗能量的密度隨着時間增加而增加，不管宇宙的空間結構是閉合、平直還是開放的，隨着宇宙的不斷膨脹所有物質（甚至時空本身）最終都會被逐漸撕碎。如果暗能量是狀態方程小於-1的“幽靈暗能量”（phantom dark energy），那麼它的密度隨着時間的推移而不斷增加，從而導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都瓦解為不受束縛的基本粒子和輻射。

大凍結：宇宙温度最終將趨於絕對零度

“大凍結”（Big Chill/Big Freeze）也被稱為“熱寂”（heat death）。這種假説認為隨着宇宙的膨脹，氣體作為恆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恆星形成。隨着恆星形成的停止，宇宙温度越來越低，並最終演化到一種沒有熱力學自由能的狀態，也就是達到熱力學平衡 （即具有最大熵），同時宇宙温度也將趨近（但並未達到）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存在。

看到“大凍結”這個詞，筆者腦海中立馬浮現出的是動畫電影《冰川時代》中的景象（圖3）。不過“大凍結”時期的温度可要遠遠低於“冰川時代”的。在暗能量狀態方程等於-1的情況下，“大凍結”不僅在平直和開放的宇宙空間結構下可能發生，甚至在閉合的宇宙中也有可能發生。在平直或開放的宇宙中，無論暗能量的狀態方程等於何值，“大凍結”的結局都是可能出現的。

圖3：“大凍結”很容易讓人聯想到電影《冰川時代》中的景象。不過“大凍結”時的温度趨於絕對零度（零下273.15攝氏度），這個温度遠遠低於“冰川時代”的。

圖片來自www.pandora-magazine.com

大坍縮：物質的引力作用使得宇宙最終停止膨脹併發生坍縮

“大坍縮”（Big Crunch）假説認為由於物質的引力作用宇宙的膨脹速度會不斷變慢，從而終將停止膨脹併發生坍縮。然而在坍縮之後又將發生什麼尚不能確定。其中一種可能性就是宇宙坍縮到它的初始狀態並再次發生大爆炸，從而使得宇宙處於“大爆炸”到 “大坍縮”再到“大爆炸”這樣一種循環的狀態。從目前的宇宙學觀測來看，產生負壓的暗能量肯定存在，而且它的密度高於物質的，因此宇宙的膨脹不會停止，“大坍縮”是不太可能發生的。

圖4：示意圖展示了宇宙終結的三種可能方式。

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

普朗克衞星觀測所支持的閉合空間，意味着宇宙將擁有怎樣的終極命運？

歐洲普朗克(Planck)衞星於近期所發佈的觀測結果，在約3倍標準差的置信度上支持空間閉合的宇宙，然而由於暗能量的本質屬性尚且不知，因此宇宙未來的命運可能是“大撕裂”，也可能是“大凍結”，同時也有可能是先發生“大凍結”再進入“大撕裂”。

作者簡介

陳雲，國家天文台副研究員。2007年從大連理工大學物理系本科畢業。2012年獲北京師範大學天文系博士學位。曾先後在台灣清華大學、中科院國家天文台從事博士後研究工作。研究內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應用，以及中微子質量的宇宙學測定。