决定宇宙形态的两个参数
在我们的宇宙当中,其实存在着两种力量,一种是物质引发的引力,一种是真空能引发的排斥力,其中排斥力会促使宇宙发生膨胀,这是根据哈勃观测到星系红移的现象得出的结论。这两种力的角逐会决定宇宙的未来发展。而我们是用宇宙学常数Λ来表达宇宙的膨胀效用。
当然,仅依靠宇宙学常数Λ是不够的,要知道宇宙的终局,还得知道宇宙的形状。根据广义相对论,我们可以用宇宙空间曲率K来表述宇宙的形状。把宇宙学常数Λ和宇宙空间曲率K进行组合,就可以组合出许多结果来。我们举一些例子,
如果宇宙空间曲率K取值为0,那就是欧几里得空间;如果宇宙学常数Λ>0,则表示为排斥力;如果宇宙学常数Λ<0,则表示为吸引力;无论你把宇宙空间曲率K取多少数值,宇宙都会收缩。如果宇宙学常数Λ=0,就是静态宇宙,但这种情况的宇宙是不稳定的。也就是说宇宙是永恒不变的说法其实并不靠谱。看起来是不是很复杂,不过没有关系,有位科学家曾经就归纳整理了一张图表:
通过这张图表,我们就会发现,宇宙在大多数情况下都会膨胀。除此之外,我们还可以得到以下的信息。
真空能导致的排斥力和宇宙空间的尺度有关,早期的宇宙尺度比较小,真空能对于宇宙膨胀并没有什么作用,引力占据了主导。距今45亿年前,宇宙膨胀到如今宇宙尺寸的73%,这时真空能产生的排斥力占据了主导,宇宙开始加速膨胀。
宇宙加速膨胀的结果,在1998年,由物理学家索尔·珀尔马特领导的科研小组以及布莱恩·施密特与亚当·里斯领导的科研小组,分别独立通过观测Ia超新星得到的数据所证实。并且在2011年获得了诺贝尔奖。
密度参数
不过,宇宙学常数Λ并不太好确定。所以,科学家只能另想办法,他们发现利用哈勃常数H和宇宙质量密度ρ也可以描述宇宙的未来。其中哈勃常数H是描述
银河系外的星系退行速度和距离的比值。
哈勃常数H可以通过观测星系退行得到具体的数据。至于宇宙质量密度ρ,我们所用到的是宇宙的临界密度ρ0,它描述的是:
一个以物质为主的宇宙几乎接近于停止膨胀的状态时所对应的宇宙质量密度。
根据普朗克卫星的观测结果,宇宙近乎于平坦的,意思是宇宙在大尺度上是不弯曲的,这个精度达到了千分之六。因此,我们可以通过爱因斯坦的广义相对论得到,
如果我们把哈勃常数取值为70 km/s·Mpc,那就可以得到一个宇宙临界密度0.9×10^(-29)g/cm^3。然后,我们可以把现在的宇宙密度和这个宇宙临界密度做一个比值,就可以得到密度参数Ω0,当Ω0≤1时,就是开宇宙,当Ω0>1时,就是闭宇宙。
具体是开宇宙还是闭宇宙,我们可以通过观测宇宙微波背景辐射来进行确定。
那闭宇宙和开宇宙意味着什么呢?
如果是闭宇宙的结果,这意味着引力占据了主导,宇宙会在引力的作用下逐渐减速膨胀,然后开始收缩到一个炽热的奇点上,也就是大挤压。宇宙开始向内压缩时,温度会不断上升,如果那时候还存在生命,那这些生命要么被热死,要么被挤压死。
也有科学家提出,快速收缩的力量足以使宇宙再一次发生大爆炸,这也就是大反弹。又有人提出宇宙可能就是在大挤压和大反弹的无限循环中,这也就是循环论。
这是闭宇宙对应的三种结局。
开宇宙则对应的是大撕裂,也就是说,宇宙将会永远膨胀下去,星系,恒星甚至是原子都会被撕裂。
除了大撕裂,在开宇宙中还存在着一种热寂说,根据热力学第二定律,也就是熵增定律,宇宙的结局将会是热均匀分布在宇宙中,使得宇宙没有热传递,没有了热传递,也就意味着没有了信息的传递,宇宙一片死寂。
无论时大撕裂还是热寂说,宇宙的温度都会越来越低,越来越冷。
所以,开宇宙对应的是大撕裂和热寂说。
最后,我们来总结一下,
Ω0<1,对应闭宇宙,宇宙的终局可能是大挤压、大反弹和无限循环宇宙;Ω0≤1,对应开宇宙,宇宙的终局可能是大撕裂和热寂。