人類曾經以為,宇宙在整體上是靜態的,它既不會擴張,也不會收縮,但後來科學家卻發現實際情況並非如此,因為觀測資料表明,宇宙是處於一種持續膨脹的狀態。也就是說,宇宙在整體上其實是動態的,這就引出了一個問題:隨著宇宙的演化,它最終的結局會是什麼呢?
對於這個問題,科學家提出了兩種猜測,我們可以將其稱為“大坍縮假說”和“熱寂假說”,為了方便理解,我們不妨用一個思想實驗來進行說明。
想象一下,現在有一個人站在地球表面,然後他向天空扔出了一塊石頭,會出現什麼樣的情況呢?從理論上來講,在不考慮空氣阻力等干擾因素的情況下,可能會存在兩種情況。
第一種情況是:如果這個人的力氣不夠大,扔出的石頭速度不夠快,那麼被他扔出的石頭首先會向天空飛出一段距離,但在地球引力的作用下,石頭向上的速度卻會越來越慢,並最終停止,然後掉頭落向地球表面,而在掉落的過程中,它落向地面的速度則會越來越快。
第二種情況則是:如果這個人的力氣特別大,以至於他扔出的石頭的速度達到或超過了地球的逃逸速度,也就是第二宇宙速度,那麼這塊石頭就會離地球越來越遠,儘管其遠離地球的速度會因為地球的引力而越來越慢,但它卻會一直處於遠離地球的過程中,永遠都不會重新掉到地面上。
可以看到,在上述思想實驗中,其實存在著一個臨界速度,同樣的道理,對於整個宇宙來講,其實也存在著這樣一個臨界速度。
如果宇宙膨脹的速度低於這個臨界速度,那麼當宇宙膨脹到一定的程度時,它就會因為引力的作用而停止膨脹,然後開始坍縮,並且其坍縮的速度會越來越快,並最終重新坍縮為“奇點”狀態,而這就被稱為大坍縮。
另一方面來講,假如宇宙膨脹的速度達到或超過了這個臨界速度,那麼宇宙就會永遠地膨脹下去,在這個過程中,宇宙的溫度就會越來越低,能量的分佈越來越均勻,熵也越來越高,當達到極致的時候,宇宙中就不會存在任何能量的差異與波動,而這樣的結局,就被稱為熱寂。
在過去的很長一段時間裡,人們能夠想到的宇宙結局基本上就是上述的兩種,於是科學家就開始研究,宇宙到底會終結於大坍縮還是熱寂,然而科學家在深入研究後卻發現,大坍縮和熱寂,可能都不是宇宙最終的結局。怎麼回事呢?我們接著看。
前文提到的宇宙的臨界速度,其實是由宇宙整體上的引力決定的,根據萬有引力定律,我們只需要知道宇宙的質量,就可以計算出宇宙整體上的引力大小,並據此計算出這個臨界速度,然後再將其與我們實際觀測到的宇宙膨脹速度進行對比,就可以確定宇宙到底會終結於大坍縮還是熱寂。
然而我們根本就無法精確地測量出宇宙的質量,怎麼辦呢?科學家想到了一個巧妙的方法,其思路大概是這樣的:在引力的作用下,宇宙膨脹的速度應該是越來越慢,所以我們只需要測量出宇宙在過去不同時間段的膨脹速度,再將它們進行對比,就可以確定宇宙膨脹的加速度,進而計算出宇宙整體上的引力。
需要知道的是,由於光速是有限的,無論是什麼天體發出的光,都需要一定的時間才能抵達地球,距離越遠,需要的時間就越長。
比如說1光年外的天體,它發出的光就需要1年才能抵達地球,100億光年外的天體,則需要100億年,而這也就意味著,我們現在觀測到的那些遙遠的天體,其實都是它們在過去的樣子,所以我們只需要對不同距離的天體狀態進行觀測,就可以知道宇宙在過去的不同時間段裡的狀態。
由此可見,這個方法是可行的。在1998年的時候,兩個研究團隊分別公佈自己的研究結果,他們的測量資料均表明,越早期的宇宙,其膨脹速度就越慢,而這也就意味著,宇宙的膨脹並沒有像之前想象中的那樣越來越慢,而是處於一種加速膨脹的狀態。
這樣的情況,令科學家們的眼鏡碎了一地,然而後續的研究又多次證明了,宇宙確實在加速膨脹,於是這兩個研究團隊中的三位科學家因此獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。
既然宇宙在加速膨脹,就說明了有一種力量在推動著整個宇宙,那這種力量到底是什麼呢?很遺憾,迄今為止,這仍然是一個未解之謎,我們只知道有這樣一種力量,但不知道它究竟是什麼,於是這種力量就被科學家稱為暗能量。
暗能量的發現,也讓科學家提出了一種新的理論,即:宇宙可能並不會終結於大坍縮或者熱寂,而是會終結於“大撕裂”。
該理論認為,宇宙的加速膨脹,就意味著暗能量的密度一直在增加,由於暗能量在宇宙中是均勻分佈的,因此隨著暗能量的不斷增加,宇宙受到暗能量的影響也越來越大,隨著這個過程的持續,當達到一定程度時,宇宙中的四大基本力就將無法與暗能量抗衡,而到了那個時候,宇宙中所有的物質都將被暗能量撕裂,無論是大如恆星,還是小如原子。
當然了,這也只是根據我們目前對宇宙的認知而提出的一種猜測,所以大家看看就成,不必太過當真。