發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上的一項新研究表明，經(jīng)過近 138 億年的不間斷膨脹后，宇宙可能很快就會停滯不前，然后慢慢開始收縮。

在新論文中，三位科學家試圖根據(jù)過去對宇宙膨脹的觀察數(shù)據(jù)來模擬暗能量的性質(zhì)——一種導致宇宙加速膨脹的神秘力量。

根據(jù)他們的模型中，暗能量不是自然的恒定力量，而是一種叫做quintessence的實體，會隨著時間的推移而衰減。

研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管宇宙的膨脹已經(jīng)加速了數(shù)十億年，但暗能量的排斥力可能正在減弱。

根據(jù)他們的模型，宇宙的加速可能會在接下來的 6500 萬年內(nèi)迅速結(jié)束——然后，在 1 億年內(nèi)，宇宙可能會完全停止膨脹，相反，它可能會進入一個緩慢收縮的時期，有如時間反轉(zhuǎn)，宇宙走向死亡或者說是重生。

新澤西州普林斯頓大學普林斯頓理論科學中心主任、研究合著者保羅·斯坦哈特說，這一切都可能發(fā)生的“非?！毖杆?。

“時光倒流 6500 萬年，那時?？颂K魯伯小行星撞擊地球并消滅了恐龍，”斯坦哈特告訴 Live Science。 “在宇宙尺度上，6500萬年非常短?！?/p>

沒有參與這項研究的不列顛哥倫比亞大學物理學和天文學教授 Gary Hinshaw 告訴 Live Science，這個理論沒有任何爭議或內(nèi)在矛盾。

然而，由于該模型僅依賴于過去對膨脹的觀察——而且因為宇宙中暗能量的當前性質(zhì)是如此神秘——文中的預言目前無法經(jīng)過驗證。目前，它僅是保留理論。

虛空能量

自 1990 年代以來，科學家們已經(jīng)了解到宇宙的膨脹正在加速；星系之間的空間現(xiàn)在比數(shù)十億年前擴大得更快。

科學家們將加速力量的神秘源命名為暗能量——與重力抵消的隱秘實體，將宇宙中最巨大的物體推得更遠，而不是把它們拉在一起。

盡管暗能量約占宇宙總質(zhì)能量的 70%，但它的性質(zhì)仍然是個謎。

愛因斯坦提出的一個流行理論是，暗能量是一個宇宙常數(shù)——一種編織到時空結(jié)構(gòu)中的不變的能量形式。如果是這樣，暗能量施加的力永遠不會改變，那么宇宙應該永遠繼續(xù)膨脹(和加速)。

然而，一個相互競爭的理論表明，為了適應過去宇宙膨脹的觀測，暗能量不需要保持不變。

相反，暗能量可能是一種被稱為quintessence的東西——一種隨時間變化的動態(tài)場。 (斯坦哈特是在 1998 年《物理評論快報》雜志上的一篇論文中提出這一想法的三位科學家之一。)

與宇宙常數(shù)不同，quintessence既可排斥又可吸引，這取決于它在給定時間的動能和勢能的比率。在過去的 140 億年中，quintessence以排斥為主。

然而，在那個時期的大部分時間里，與輻射和物質(zhì)相比，它對宇宙膨脹的貢獻微不足道。大約 50 億年前，這種情況發(fā)生了變化，當時quintessence成為主要成分，其引力排斥效應導致宇宙加速膨脹。

“我們在本文中提出的問題是，‘這種加速必須永遠持續(xù)下去嗎？’”斯坦哈特說。 “如果沒有，有什么替代方案，情況多久能改變？”

暗能量之死

Steinhardt 和同事、紐約大學的 Anna Ijjas 、普林斯頓大學的 Cosmin Andrei 預測了未來數(shù)十億年quintessence將如何變化。

為此，該團隊創(chuàng)建了物理模型，依據(jù)過往的觀測記錄，顯示它隨著時間推移，斥力和引力如何變化。一旦團隊的模型能夠可靠地向后再現(xiàn)宇宙的膨脹史，他們就可向前推至未來。

“令他們驚訝的是，他們模型中的暗能量會隨著時間的推移而衰減。如果它以某種方式減弱，那么最終暗能量的反引力特性就會消失，它會轉(zhuǎn)變回更像普通物質(zhì)的東西?！?/p>

根據(jù)該團隊的模型，暗能量的排斥力可能正處于數(shù)十億年前開始的快速衰退期中。

在這種情況下，宇宙的加速膨脹今天已經(jīng)放緩。很快，也許在大約 6500 萬年內(nèi)，這種加速會完全停止——然后，在從現(xiàn)在開始的短短 1 億年內(nèi)，暗能量可能變得有吸引力，導致整個宇宙開始收縮。

換句話說，經(jīng)過近 140 億年的增長，空間可能會開始縮小。

“這將是一種非常特殊的收縮，我們稱之為緩慢收縮。”斯坦哈特說?！翱臻g沒有擴大，而是非常非常緩慢地收縮?！?/p>

斯坦哈特說，最初，宇宙的收縮會非常緩慢，以至于任何還活著的地球上的假設人類甚至都不會注意到變化。根據(jù)該團隊的模型，宇宙需要數(shù)十億年的緩慢收縮才能達到今天大小的一半。

宇宙的盡頭？

從那里開始，可能會發(fā)生兩種情況。要么宇宙收縮，直到它在一次大的“緊縮”中自行坍塌，結(jié)束我們所知道的時空——或者，宇宙收縮到足以恢復到與其原始條件相似的狀態(tài)，以及另一場大爆炸——或者一個大的“反彈”，從舊宇宙的灰燼中創(chuàng)造了一個新的宇宙。

在第二種情況下(Steinhardt 和另一位同事在 2019 年《物理快報 B》雜志上的一篇論文中描述了這種情況)，宇宙遵循膨脹和收縮、擠壓和反彈的循環(huán)模式，不斷地坍縮和重塑。

如果這是真的，那么我們當前的宇宙可能不是第一個或唯一一個宇宙，而只是在我們之前膨脹和收縮的無限系列宇宙中的最新一個，斯坦哈特說。而這一切都取決于暗能量的多變本質(zhì)。

由于我們對宇宙膨脹的所有觀測都來自距離地球數(shù)百萬到數(shù)十億光年的物體，因此目前的數(shù)據(jù)只能讓科學家了解宇宙的過去，而不是它的現(xiàn)在或未來。

所以，宇宙很可能正朝著緊縮的方向發(fā)展，直到收縮階段開始很久之后，我們才能意識到這一點。

不幸的是，沒有很好的方法來檢驗quintessence模型，或者宇宙膨脹是否開始放緩，斯坦哈特承認。目前，這只是將理論與過去的觀察數(shù)據(jù)相匹配的問題。

無論是無盡增長還是快速衰退的未來等待著我們的宇宙，只有時間會證明一切。