宇宙有一个炽热的起点
“宇宙是永恒”的这个观念其实自古有之,而且深深影响着许多的学者,当然也包括科学家。一旦也让爱因斯坦深信不疑。因此,在爱因斯坦从自己的广义相对论引力场方程得到宇宙正在膨胀的结果时,他是觉得不太合理的,为了让宇宙按照他想要的结果成为“永恒的宇宙”,爱因斯坦加了一个宇宙学常数Λ,用来抵消这种膨胀效应。
可惜好景不长,有个叫做哈勃的天文学家在观测星系时,就发现星系发生了红移了。当时有个叫做勒梅特的,他就基于哈勃的发现,提出星系其实都在离我们远去,而远去的原因是因为宇宙在膨胀,并且他结合爱因斯坦的广义相对论,提出宇宙应该有个起点,一个炽热的开端。
经过后来的几位科学家的共同努力,这个理论逐渐发展成为了宇宙大爆炸理论。
实际上,时至今日宇宙大爆炸已经成为了主流的科学理论,但仍然有许许多多的人并不相信这个理论,当然,相信不相信其实是每个人自己的权利,这其实并没有什么,不过为了能够继续讲下去,我们就按照这个主流理论的说法来。宇宙大爆炸之所以可以成为主流理论,主要有三个原因:
哈勃观测到的星系红移现象;宇宙微波背景辐射;
氦元素丰度。听不懂没有关系,你只需要知道,第一条代表着宇宙膨胀的证据,而后两条是基于宇宙学原理和爱因斯坦广义相对论预言的现象。结果实际的观测结果完美符合理论的预言。其实,自从牛顿开启的现代科学开始发展,这种理论预言和实际上观测完美符合的情况已经出现不少次了,比如:麦克斯韦预言电磁波,爱因斯坦广义相对论预言的黑洞和引力波。
正是由于这些证据的存在,以及粒子物理标准模型的发展,使得宇宙大爆炸成为主流理论。所以,按照目前的主流理论,宇宙起源于一个炽热的开端,也就是奇点的大爆炸。
宇宙的终点
关于宇宙的终极宿命,其实科学家也有许多相关的研究。科学家发现,宇宙最终的结局其实和宇宙的形态有关。我们可以利用两个参数来进行测算,一个是宇宙密度,一个是哈勃常数。
其中,哈勃常数可以通过观测得到。而宇宙的密度其实并不容易得到。首先,我们要知道宇宙的形态,根据普朗克卫星最新的观测结果来看,宇宙在千分之六的精度上是平坦的。也就是下图中,第二种情况。
基于这个前提,我们可以使用一个"弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规",(这个度规有点类似于坐标系的感觉,我们高中在学几何时,会用到直角坐标系,有时候也会用到极坐标系。)
然后,利用广义相对论,我们就可以得到宇宙的密度:
当然我们把哈勃常数取值为70时,就会得到一个宇宙临界密度,这个密度代表着宇宙如果是以物质为主导的,那在这个取值下,就会处于几乎不膨胀的状态。那这个临界密度有什么用呢?
我们还可以用同样的方法,得到现在宇宙的密度,然后把现在宇宙密度与临界密度做比值,就会得到一个密度参数Ω。
当Ω>1时,就代表宇宙会收缩,最后热死亡或者振荡。所谓的热死亡,说白了就是说宇宙的结局会是向内收缩,最后缩到一个奇点上,在收缩的过程中,宇宙的温度会逐渐升高,如果那个时候宇宙中还有生物的话,那它们一定会被热死或者烫死,这也就是大挤压假说。
当然,也有人认为这个时候的由于向内收缩的力太强了,还会促发大爆炸,这也就是大反弹假说。基于大反弹假说,还有科学家提出宇宙可能会在收缩和膨胀中循环往复,这也就是循环假说。
当Ω≤1时,就代表宇宙会一直膨胀,最后冷死亡。在这种情况下,宇宙会一直膨胀下去,最后星系都会被撕裂,然后连原子都会被撕裂,最后冷死亡,这也就是大撕裂假说。
除此之外,还有科学家根据热力学第二定律提出,宇宙最后会达到热寂状态,说白了就是不会有热传递,处处的温度相同,这时就不会有任何的信息传递,宇宙也就死亡了,这就是宇宙热寂说。
至于宇宙最终的宿命到底是什么,我们其实可能永远也无法知道,以上的结果是科学家根据现在的观测结果和相关理论推导出来的。而根据现在对于哈勃常数的观测,目前Ω≤1的,也就是对应着冷死亡的结局。