宇宙中的所有物质会因为引力而发生聚集,并在遥远的未来重新坍缩一起!这个想法和担忧在17世纪的时候就已经被提出了,而且首先想到这个问题的人正是牛顿。在牛顿之前,我们人类并不会有这样的困扰,原因是在此之前我们还不知道有万有引力的存在,也并不知道两个质量物体会产生引力。
而当时解释地球上物体下落和上升的理论还是古希腊时期提出的古元素说,人们认为地球上的万物是由水、火、气、土这四种元素组成的,而重的元素会下降,轻的元素就会上升,虽然这样的说法解释了地球上的所有现象,但是无法解释天上的太阳、月亮以及恒星为何会漂浮在天空中,而且这些天体为何还在天空中做规律性的运动。
由于当时认知的局限性,人们只能认为天上的事不归地球管,它遵循着另外一套物理法则,时间来到了1687年,这一年牛顿发表了人类历史上最伟大的旷世巨著《自然哲学的数学原理》,首次提出了物体运动三大定律和万有引力定律,为我们人类统一了地球上和天上物体运动的力学原理,也使得经典力学成为了一套完整的理论体系。
我们之前听说过,牛顿发现万有引力是因为被苹果砸中脑袋的突发奇想,其实这种说法只是一个美好的传说罢了,在牛顿发现万有引力之前,其实他已经对物体运动的三大定律了如指掌,正是对三大定律透彻的理解,才让牛顿发现了万有引力,这个过程是这样的。
牛顿第一定律告诉我们一个物体在没有受到净外力的情况下会一直保持静止或者匀速直线运动,第二定律告诉我们一个物体在外力的作用下就会在力的方向上产生一个加速度,因此一个物体如果没有受到外力,它就不应该向着地球加速运动,而是会静止在空中,既然物体会改变最初的静止状态加速坠入地面,唯一的解释就是物体在下落的方向上受到了一个外力,也就是地球对物体施加的力,由于第三定律说,你给一个物体施加了一个力,那么这个物体也会对你施加一个作用方向相反大小相等的力,因此下落的物体也会对地球产生一个力,这个相互的力正是万有引力。
我们从牛顿发现万有引力的方式就可以看出,他只是对现象的一种总结,并没有发现引力的本质,而且牛顿也一直认为引力的本质并不是物体所产生的,而是背后肯定有上帝之手的参与。不管怎样万有引力的提出让人类对宇宙的万物的理解有了质的飞跃。而且牛顿也想过,如果宇宙中的物体会产生引力,那么这些物体就会因为引力的作用塌缩在一起,那为什么没有发生这样的事情呢?
这个问题对于牛顿来说有点太烧脑了,毕竟那个年代我们对宇宙的了解少之又少,牛顿当时就认为,为了使得宇宙保持稳定,那么宇宙就必须是无限的,而且有无限数量的恒星并且空间中的物质分布要相对均匀,不能存在任何瑕疵,这样的宇宙模型太过于理想化,如果天体的位置或者数量发生一点点变化,都会导致宇宙不稳定发生坍缩,所以牛顿并不能解决这个问题,他又一次向上帝伸出了援助之手……
虽然牛顿理论存在以上的问题,但它的成功之处有目共睹,解决了人们在当时认知水平下的所有问题,因此这套理论体系就统御人类宇宙观长达三个世纪!时间来到了20世纪最初的几年,随着人类观测技术和能力的提升,当把牛顿理论应用在解释水星轨道进动的问题上时,出现了无法抹平的偏差,这个问题的出现让人们对牛顿理论的正确性首次产生了质疑,解决这个问题的正是1916年由爱因斯坦发表的广义相对论。
这套理论不仅解决了水星轨道的异常进动问题,还解决了牛顿无法解释的引力本源问题,并且还提出了很多具有超越时代的预测,例如星光弯曲、引力透镜、引力波。不过,研究引力最终都会面临同一个问题,引力始终会使整个宇宙坍缩,爱因斯坦在这个问题上也犯了难,由于他当时更加相信一个静态的宇宙,因此爱因斯坦就在自己的引力方程中加了一个宇宙常数,用来对抗万物产生的引力效果。
爱因斯坦的这个操作并没有比牛顿高明都哪里去,牛顿借了上帝,爱因斯坦借了自己都不知存不存在的、虚无缥缈的宇宙常数,不过后来的事实证明我们的宇宙正在膨胀,星系正在远离我们,这个结论是由埃德温哈勃在1924年通过观察变星、以及星光红移得出来的。哈勃的发现,让人类认识到了一个动态的膨胀的宇宙,为宇宙大爆炸模型奠定了理论基础。
大爆炸模型的提出和确立,让我们知道了宇宙在诞生之初就有一个初始的膨胀率,在138亿年的宇宙历史中,物质所产生的引力一直都在和这个膨胀率对抗,而且我们还发现了宇宙中存在另外一种物质形式暗物质,当时我们认为整个宇宙是由普通物质、暗物质和辐射组成的。
但是在1998年,两个独立的科学小组通过对遥远1a型超新星的观测发现,我们的宇宙的膨胀率并没有下降,而是在加速膨胀,这说明宇宙中除了以上的普通物质、暗物质和辐射以外,还存在另外一种能量形式,这种能量在拉扯着宇宙空间,为宇宙的膨胀提供负压,这就是我们常说的暗能量。
并且这种能量形式目前占了宇宙总质能得80%左右,暗物质占了15%左右,我们生活的普通物质世界只占了微小的5%。这说明我们的宇宙中,有绝大部分的能量和物质是我们目前还不清楚的形式。因此物质所产生的引力已经不能掌控宇宙的未来,所占比例最多的暗能量才是主宰宇宙的能量形式。
总结一下
宇宙在诞生之初就存在一个膨胀率,这是宇宙膨胀的开始,物质的引力确实可以对抗这种膨胀效果,但引力一直也没有使得整个宇宙的膨胀停下来,随着宇宙的演化,时间来到了大约50亿年前,空间的膨胀导致了物质密度的下降,这使得物质所产生的引力越来越微不足道,反而暗能量开始掌控了宇宙,并且导致了宇宙开始加速膨胀。
这就是宇宙为何没在引力的作用下坍缩的原因。