宇宙的最终的命运是什么?

关于宇宙的最终命运,我们要从宇宙的整体去思考,要知道宇宙包含了时间、空间、物质、能量等等。按照目前主流的观点,宇宙诞生于一次大爆炸。

大爆炸之初,宇宙处于极其高温的状态,后来逐渐出现了物质粒子,也就是说我们熟悉的夸克,电子等轻子,然后是质子,中子等重子。到了宇宙38万岁的时候,宇宙冷却到可以形成原子结构。不过,这里要强调一点,那就是宇宙大爆炸的整个过程,包括宇宙早期的发展,宇宙的空间一直都在剧烈的膨胀。尤其是在暴胀时期,如果我们把宇宙看成是一粒沙子,它大概膨胀到了可观测宇宙那么大(直径930亿光年),然后再把它看成是一粒沙子,再膨胀到可观测光宇宙那么大,一共加倍了100次(2^100),膨胀到了原来的10^30倍。

当物质粒子形成之后,宇宙开始进入到了物质主导的时代,物质的引力成为一个非常重要的因素。于是,宇宙的膨胀速度在引力的作用下开始变慢,呈现出了减速膨胀的效果。(补充一点,这里的引力,不仅仅是我们可观测物质的引力,实际上暗物质贡献得更多。)

但实际上,宇宙当中还存在着一种我们观测不到的东西,我们管这个叫做暗能量。我们可以把它理解成真空能(实际上,这也是暗能量的另外一个名字)。从这个名字,我们大概也能清楚暗能量和真空有关,而它对宇宙的作用效果是和引力正好相反,是一种斥力。

起初,由于宇宙空间太小,暗能量并不占据主导,而引力是主导,所以宇宙开减速膨胀。后来,在距今45亿年前,宇宙膨胀到一定的程度,暗能量开始占据了主导。于是,斥力大于引力,宇宙开始加速膨胀。

当然,这确实是有观测证据作为支撑的,1998年两个科学小组分别独立观测了Ia型超新星,得到了宇宙正在加速膨胀的结果,并且在2011年获得了诺贝尔物理学奖。


所以,从这里,我们可以得出一个结论,宇宙的未来大概率是和引力、斥力有关。本质上是物质和暗物质的总量与暗能量相比较,谁更多。目前来看,暗能量是妥妥的老大,因此才会有加速膨胀的结果。

不过这个比例并不是固定不变的,它会如何变化,可能还需要科学家进一步对暗物质和暗能量进行研究才能搞清楚。那我们如何知道宇宙的未来呢?

实际上,这里就要用到一个宇宙平均密度的理论,根据最新的观测结果,我们可以得到宇宙在大尺度上是不弯曲的,是平坦的,也就是下图中第二种情况。

于是,我们就可以得到一个宇宙的密度公式,当一个以物质为主的宇宙几乎不膨胀或者膨胀速度微乎其微时,这个公式得到的宇宙临界密度,数值是0.9*10^(-29)g/cm^3,这相当于一立方米当中只有一个氢原子的水平。

宇宙的终极命运

我们把测得的宇宙平局密度和这个临界密度做一个比值,这个比值用符号Ω。于是,就可以得到这么两个结果:

如果Ω>1,那么宇宙就终局就极有可能是大挤压,说白了就是引力占据了主导,宇宙先是减速膨胀,到膨胀速度为零,然后开始加速收缩。

当然也有人认为,由于大挤压的能量特别大,足以促发宇宙第二次大爆炸,于是提出了大反弹假说。有了大反弹假说,我们也就很容易想到,是不是宇宙就是在循环往复的,膨胀,收缩,大爆炸,膨胀,收缩这样循环,周期性永动。

但是在这种情况下,至少在我们如今的宇宙,如果到那时还存在生物的话,都会在大挤压的过程中,其实就是一个急剧升温的过程,这些生物要么被热死,要么被烫死,最后被挤成一个点。

如果Ω≤1,那宇宙的结局就是大撕裂,说白了就是斥力为主导,宇宙肆意地膨胀下去,最后星系都被撕裂了,然后是恒星,行星,最后分子,原子,原子核……

这种情况是正好与大挤压相反的,是一种冷死亡的过程,意味着温度会一直下降下去。除了大撕裂,根据热力学第二定律,也就是熵增定律,还提出了热寂说。这个热寂说也是在宇宙膨胀为主导的情况下成立的。具体来说就是,宇宙如果继续下去,终局很可能是出于热平衡状态,意思是宇宙中处处温度都是一样的高地,那么也就不会存在热传递,也就没有信息传递,宇宙陷入一片死寂。

具体是哪一款,我们现在还没有办法确定,按照目前的观测结果是Ω≤1的情况,也就是大撕裂和热寂的这款。但实际上这仅仅是目前的观测和理论得到的结果,大概率上说,我们可能需要更多的数据以及对暗物质和能量能有更深入的了解,才有可能对宇宙的终局哟更深刻的理解。