2022年05月22日 09:00
【科學快訊】
宇宙自從誕生開始，已經膨脹了137億年。從最開始的一個無窮小的奇點，膨脹到今天無比巨大的尺度。然而，有科學家預言，這場漫長的膨脹將在1億年內完全結束，那時宇宙轉而開始收縮。而造成這一點的，正是大名鼎鼎的暗能量……
撰文 | 白德凡
審校 | 王昱
按照標准宇宙學的結論，我們的宇宙已經存在了約137億年，在這漫長的歲月中，宇宙由最開始的一個無窮小的奇點，逐漸膨脹到今天無比浩大的尺度。今天的宇宙仍在繼續膨脹，甚至還是加速膨脹，這讓物理學家不得不引入暗能量解釋這種異常的加速。對於暗能量的性質，我們知之甚少。而最近發表於《美國科學院院刊》（PNAS）的一項研究顯示，暗能量的一種可能狀態可能會讓宇宙在不久後停止膨脹，並慢慢開始收縮。而這個可能的時間結點離我們其實沒有想象中的那麼遠——6500萬年後宇宙的膨脹將不再加速，而1億年後宇宙的膨脹將徹底停止，並開始緩慢收縮。
（如果你覺得這個時間還是太遠了，可以對比一下：在地球上6500萬年前恐龍才剛剛滅絕。）
惱人的加速膨脹
愛因斯坦在1915年創立廣義相對論，讓宇宙學真正成為了一門科學。愛因斯坦場方程蘊含了宇宙的起源和演化問題的答案。但方程中有個問題讓物理學家感到困惑，它在宇宙學模型下無法給出一個靜態的解，所描述的宇宙總是處在膨脹或收縮之中。受限於當時的宇宙觀，愛因斯坦堅信宇宙應該處於一種永恒不變的靜態之中，於是修改了方程，添加上帶有「宇宙學常數」的一項，得到了靜態宇宙解。
然而後來的天文學觀測出乎所有人的意料。在1929年，天文學家愛德溫·哈勃（Edwin Hubble）觀測到河外星系的紅移現象，這意味著這些星系正在遠離我們。而愛因斯坦場方程預言的宇宙膨脹正好可以解釋這種現象。如此一來，方程沒有靜態解反而不成問題了，添加宇宙學常數實屬畫蛇添足。愛因斯坦後來撤回了對場方程的修改，並承認引入宇宙學常數是他犯過的最大的錯誤。
然而問題並沒有就此結束。既然我們的宇宙正在膨脹，那麼隨著宇宙變大，宇宙中物質的密度變小，相應的能量密度也會變小。這時根據愛因斯坦場方程的預言，宇宙膨脹應當逐漸減速。然而天文學觀測再次出乎所有人的意料，1998年天文學家根據Ia超新星的觀測數據計算宇宙膨脹速度，發現宇宙不是在減速膨脹，而是正在加速膨脹。
宇宙的膨脹速度不減反加，這個發現讓物理學家困惑不已。為了給出解釋，物理學家認為宇宙中還存在一類未知的東西，它的能量密度不會隨著宇宙變大而減小，而是保持常數。於是當宇宙膨脹到原來的兩倍大時，這種能量的總量也會翻倍。將這種未知能量納入到宇宙學模型中來，其實就相當於拾起了被愛因斯坦拋棄的宇宙學常數，它讓愛因斯坦場方程可以給出一個加速膨脹的解。
今天宇宙中所有內容物占比示意圖，其中68.3%為暗能量，26.8%為暗物質，僅有4.9%為已知的普通物質。（圖片來源：Szczureq/Wikipedia）
這種未知的能量就是如今大名鼎鼎的「暗能量」。據物理學家估計，暗能量應當占據今天宇宙全部內容物的約70%，才能符合對宇宙加速膨脹的觀測。然而這種神秘的能量到底是什麼，如何在物理學上描述它，學界莫衷一是。而對暗能量的認知關系到我們對未來宇宙命運的預言，如果暗能量的能量密度並不是一個常數，而是會隨時間變化，那麼宇宙很可能在未來停止膨脹，並開始收縮。而這最短只需要1億年的時間。
1億年後的命運
1998年，保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）等三位物理學家發表一篇論文，提出了暗能量是一種「精質」（quintessence）的假說。這樣的暗能量不再像宇宙學常數描述的那樣，能量密度固定不變，而是一種可以隨時間變化的標量場。這個標量場表現出吸引還是排斥，取決於其動能與勢能的比例。研究人員認為，這個標量場在宇宙誕生約35億年後變得具有排斥性，但那時對宇宙膨脹起主導作用的還是物質的能量密度，因而膨脹速度逐漸減小。直到宇宙誕生約98億年後，物質的能量密度隨著宇宙變大而降低，暗能量才起了主導作用，使得宇宙加速膨脹。
宇宙自大爆炸以來137億年的演化示意圖，這137億年中宇宙一直在膨脹，而最近的幾十億年宇宙在加速膨脹。（圖片來源：NASA/WMAP Science Team）
但如果暗能量真是一個會隨時間變化的標量場，它的成分變化有可能導致排斥性逐漸消失。最近發表在PNAS的一篇論文中，斯坦哈特和兩位同事安娜·伊堯什（Anna Ijjas）以及科斯敏·安德烈（Cosmin Andrei）建立了一個包含「精質」暗能量的宇宙模型，他們調整了模型的參數，以符合已知的宇宙膨脹曆史。之後，研究人員用這個模型模擬了未來這樣的暗能量會發生什麼變化。他們發現，暗能量的能量密度會隨時間減小，最終表現得類似普通物質。這個轉變在6500萬年內就能實現，導致那時宇宙的膨脹不再加速。而距今1億年後，暗能量就會變得有吸引力，導致宇宙開始收縮。
盡管按照這個模型的預測，宇宙開始收縮的時間並不遙遠，但研究人員表示，剛開始宇宙收縮的速度非常緩慢，可能需要再經過幾十億年，宇宙才能達到今天的一半大小。但另一方面，我們對宇宙膨脹的所有觀測都來自數百萬到數十億光年的天體，它們能告訴我們的是宇宙過去的信息，而不是宇宙的現在或未來。所以，宇宙也有可能已經開始收縮了，而地球上的我們要在很久之後才能意識到這一點。
不過，我們目前還沒有辦法來確定暗能量是否確實是一種「精質」，或者宇宙的膨脹是否已經開始放緩。斯坦哈特等人的工作，只是建立在一種特殊的暗能量模型上。這種對暗能量的認識是否正確？或許要等未來的觀測告訴我們答案。
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