科学家称，宇宙可能很快就会“显著”缩小

发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的一项新研究表明，在经历了近138亿年不间断的膨胀后，宇宙可能很快就会停滞不前，然后慢慢开始收缩。

在这篇新论文中，三位科学家基于过去对宇宙膨胀的观察，试图对暗能量的本质进行建模。暗能量是一种神秘的力量，似乎导致宇宙膨胀得更快。

在该团队的模型中，暗能量不是一种持续的自然力量，而是一种被称为quintessence的实体，它可以随着时间的推移而衰减。

研究人员发现，尽管宇宙的膨胀已经加速了数十亿年，但暗能量的排斥力可能正在减弱。

根据他们的模型中,宇宙的加速可能在接下来的6500万年里迅速结束,那么,在1亿年,宇宙可能完全停止扩张,相反,它可能会进入一个时代的缓慢收缩数十亿年后死亡——或者重生——的时间和空间。

这项研究的合著者、新泽西州普林斯顿大学普林斯顿理论科学中心主任保罗·斯坦哈特(Paul Steinhardt)说，这一切可能会“非常迅速”地发生。

“回到6500万年前，那是希克苏鲁伯小行星撞击地球，恐龙灭绝的时候，”斯坦哈特告诉Live Science。“在宇宙的尺度上，6500万年是非常短的。”

没有参与这项研究的英属哥伦比亚大学(University of British Columbia)物理学和天文学教授加里·欣肖(Gary Hinshaw)告诉《生活科学》(Live Science)，这个理论没有任何争议或不可信。

然而，由于该模型仅依赖于过去对膨胀的观察，而且由于目前宇宙中暗能量的性质是如此神秘，这篇论文中的预测目前还无法验证。目前，它们只能停留在理论层面。

虚空的能量

自20世纪90年代以来，科学家们已经了解到宇宙的膨胀正在加速;星系之间的空间比数十亿年前扩大得更快。

科学家们将这种加速的神秘来源命名为暗能量——一种无形的实体，它似乎与引力相反，将宇宙中最大的物体推得更远，而不是将它们拉到一起。

虽然暗能量约占宇宙总质能的70%，但其性质仍然是一个谜。

阿尔伯特·爱因斯坦提出的一个流行理论是，暗能量是一个宇宙常数——一种编织在时空结构中的不变的能量形式。如果是这样的话，暗能量施加的力永远不会改变，那么宇宙应该会永远继续膨胀(和加速)。

然而，另一个与之竞争的理论认为，暗能量不一定是恒定的，以符合过去宇宙膨胀的观测结果。

相反，暗能量可能被称为“精华”——一种随时间变化的动态场。(1998年，有三位科学家在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表了一篇论文，斯坦哈特是其中之一。)

与宇宙常数不同，精髓可以是排斥的，也可以是吸引的，这取决于它在特定时间的动能和势能的比例。在过去的140亿年里，国粹是令人厌恶的。

然而，在那段时间的大部分时间里，与辐射和物质相比，它对宇宙膨胀的贡献微不足道。这种情况在大约50亿年前发生了改变，当时quintessence成为了主要成分，它的引力排斥效应导致宇宙加速膨胀。

“我们在这篇论文中提出的问题是，‘这种加速必须永远持续下去吗?”斯坦哈特说。“如果不是，有什么替代方案，情况会多快发生变化?”

暗能量的死亡

在他们的研究中，斯坦哈特和他的同事，纽约大学的Anna Ijjas和普林斯顿大学的Cosmin Andrei，预测了国粹的属性在未来几十亿年里会如何变化。

为了做到这一点，该团队创建了一个quintessence的物理模型，展示了随着时间的推移，它的排斥和吸引的力量，以符合过去对宇宙膨胀的观察。一旦该团队的模型能够可靠地再现宇宙的膨胀历史，他们就把他们的预测扩展到未来。

“让他们惊讶的是，他们模型中的暗能量可以随着时间衰减，”欣肖说。“它的力量会减弱。如果它以某种方式这样做，那么最终暗能量的反引力特性就会消失，它会转变回更像普通物质的东西。”

根据该团队的模型，暗能量的斥力可能在数十亿年前开始快速下降。

在这种情况下，宇宙的加速膨胀今天已经放缓了。很快，也许在大约6500万年之内，这种加速可能会完全停止——然后，从现在开始不到1亿年，暗能量就会变得有吸引力，导致整个宇宙开始收缩。

换句话说，在经历了近140亿年的增长之后，空间可能开始收缩。

“这将是一种非常特殊的收缩，我们称之为缓慢收缩，”Steinhardt说。“太空不是扩张，而是收缩得非常、非常缓慢。”

斯坦哈特说，起初，宇宙收缩的速度非常缓慢，以至于任何假设仍然活着的人类都不会注意到变化。根据该团队的模型，宇宙需要几十亿年的缓慢收缩，才能达到今天的一半大小。

宇宙的终结?

斯坦哈特说，从那时起，可能会发生两种情况之一。宇宙不是合同,直到崩溃在本身在一个大“紧缩”,结束我们所知的时空——或者宇宙合同刚好回到状态类似于原来的条件,和另一个大爆炸发生——或者一个大“反弹”,创建一个新的旧宇宙的灰烬。

在第二种情况下(斯坦哈特和另一位同事在2019年发表在《物理快报B》(Physics Letters B)上的一篇论文中描述了这种情况)，宇宙遵循着一种膨胀和收缩、挤压和反弹的周期性模式，这种模式不断坍缩和重塑。

斯坦哈特说，如果这是真的，那么我们现在的宇宙可能不是第一个或唯一一个宇宙，而只是在我们的宇宙之前膨胀或收缩的无限宇宙系列中的最新一个。而这一切都取决于暗能量多变的本质。

这一切有多可信?欣肖说，这篇新论文对quintessence的解释是“对于暗能量是什么，一个非常合理的假设”。

他补充说，因为我们对宇宙膨胀的所有观测都来自于距离地球数百万到数十亿光年的物体，目前的数据只能告诉科学家关于宇宙的过去，而不是它的现在或未来。

所以，宇宙很可能正在快速走向紧缩，而我们只有在收缩阶段开始很久之后才能知道。

“我认为这真的只是归结于你觉得这个理论有多令人信服，更重要的是，你觉得它有多可测试?”梦幻号补充道。

不幸的是，斯坦哈特承认，没有好的方法来测试quintessence是否真实存在，或者宇宙膨胀是否已经开始放缓。目前，这只是一个将理论与过去的观察相匹配的问题——作者在他们的新论文中很好地做到了这一点。

未来等待我们的宇宙是无限增长还是迅速衰退，只有时间才能告诉我们。

本文最初发表于《生活科学》杂志。在这里阅读原文。

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