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[圖文]暗能量主導下宇宙的可能演化模式

2015年04月24日 宇宙奧秘-長篇 暫無評論 閱讀 247 次


宇宙在加速膨脹的過程中



暗能量主導下宇宙的可能演化模式


  自哈勃發現紅移效應後,宇宙正在不斷膨脹的觀點逐漸被科學家所認可,這種加速膨脹效應很大程度上主宰了當前人類對宇宙未來的認識。然而,宇宙在加速膨脹後將何去何從,這種加速度會不斷增大還是會出現減少,是否有某種能量在制約著這種膨脹效應,如果宇宙無休止地加速膨脹下去,必然導致宇宙「大蕭條」,也就是熵增,即無序度趨於極大值,整個宇宙將變成空蕩蕩的死寂。但是,目前最新的研究進一步指出:這種加速膨脹的速度可能會趨於一個極端,這種極端的後果將使得宇宙出現「大撕裂」。


  宇宙以大撕裂作為最有的歸宿,始作俑者將是目前科學界依然對其無解的暗能量。有研究表明:暗能量具有一種極端的特性,隨著時間的推移,其密度隨著宇宙空間的膨脹而不斷增大,導致宇宙膨脹的加速度也越來越大,這種機理有別於傳統觀點上認為:隨著宇宙空間的膨脹,宇宙中的物質也會變得稀疏。暗能量是卻恰恰相反的,越是膨脹,其密度卻越大。隨著宇宙的膨脹,這些暗能量也不斷地「填充」宇宙空間,就像無中生有一樣,而其如何出現、是通過何種機制來維持這個密度還是未解之謎。


  從目前的研究觀測進展來看,科學家估計暗能量已經佔到全宇宙的73%,只要宇宙加速膨脹的進程繼續下去,暗能量將越來越成為宇宙的主宰,其將主導宇宙演化的走向,並制約著宇宙中的一切。針對這個問題,科學家提出了一個解決方案:暗能量可能是宇宙時空結構的一種特殊的屬性。因此,隨著宇宙和時空的膨脹,暗能量的密度也隨著增加,但是總體上還能維持這個平衡。從這個角度出發,當然是個很理想的觀點,因為首先我們似乎找到了關於暗能量之謎的線索,其次如果將暗能量定性為不是一種能量,而是一種時空屬性,那我們的熱力學三大定律才能自洽,否則,在依據現有的熱力學定律,能量是不允許有這樣的行為方式。


  還有一種研究觀點認為:宇宙的加速膨脹效應中,暗能量作為一種負壓功能而存在,這種負壓功能是在膨脹體制中產生的一種固有的內在的屬性。運用這種可以說近乎神秘的邏輯來推理神秘的暗能量,最新的研究觀測表明:宇宙的幾何結構有著明顯的平整度,而由此推算出暗能量壓力與暗能量密度的比值大約為1,更確切的說應該是-1,因為前者是負壓。這就是目前宇宙物理學家總結出來的關於暗能量的狀態方程。


  而如果要根據此來討論宇宙的未來,有一種很簡單的辦法:那就是不去管暗能量是什麼,無論它是什麼,我們只需要知道它壓力與密度比永遠維持在-1就行了。但是,大多數的宇宙學家基本不會熱衷於這個觀點,對於宇宙的未來,這個-1的值佔有多大的地位?而如果經過推演,這個狀態方程的值不能維持在-1呢,這該如何解釋?或者說該會發生什麼情況?


  目前宇宙學家歸納出暗能量三種可能的發展趨勢:隨著時間推移,密度下降;密度保持不變;密度逐漸增大,最後撕裂整個宇宙。而如果將暗能量僅僅是看成一個數學計算上的問題,那麼關於宇宙常數的問題就應該進一步審視。如果暗能量的密度隨著時間增加出現下降,也就是說其壓力和密度的比值達到-1/3,那麼目前宇宙的膨脹加速度將出現下降,宇宙膨脹的速率將放緩。另一方面,如果暗能量的的密度增加,也就是其壓力和密度的比值小於-1,到達-2或者-3,那麼宇宙將出現「幻能」,這個幻能是科學家虛構出來的一種能量,其代表著暗能量隨時空膨脹所產生的效應。


  總之,隨著目前宇宙的加速膨脹、時空的擴大和延伸,暗能量的密度也在增加,這將可能導致幻能的增加,其將在有限的時間內使得宇宙無限地接近結束的邊緣,並最終導致宇宙大撕裂的發生。而在這個過程中,隨著宇宙的規模變成無限大,密度增加,所有的空間結構都不復存在,包括星系、系團乃至地球,都將變成一個個亞原子粒子。根據宇宙學家最新的計算結果,如果暗能量的壓力與密度的比值達到-1.5,宇宙在這個情況下只能維持220億年,而目前宇宙已經走過了137億年。


  於此,北卡羅來納大學物理學家Frampton等人提出一個修改性的觀點,其認為暗能量的壓力與密度的比值會隨著時間的推移而不斷變化,但是從這個理論出發,宇宙仍然將出現大撕裂,只是這種撕裂效應會相對較小一些,而且宇宙的規模不會變成無限大。


  而這個理論可能支持現有對宇宙演化的認識,即宇宙循環模型。這個模型認為,宇宙的演化歸結於熵的問題,循環理論主要強調宇宙是通過大爆炸產生的,並通過大緊縮結束。宇宙演化到最後失去所有的自由能,並由引力主導一切,出現宇宙大緊縮,所有的一切都將墜入黑洞中被撕裂。這就是宇宙小撕裂假說。這個假說允許出現重新開始的機會,但是這個情況下,宇宙要重新回歸秩序,產生新的恆星和星系需要相當漫長的過程。


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