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哲学园鸣谢

对暗物质本质的理解，能够帮助我们更好地了解宇宙最终的命运。（图片来源：SCENIC REFLECTIONS WALLPAPER）

宇宙的最终结局将会是什么？尽管没有人能够亲眼见证那一刻，但物理学家通过对宇宙的观测，给出了三种经典假说：大挤压、大冻结，以及两者的临界状态。

但这并不是故事的全部。当物理学家发现，暗能量可能才是主导宇宙膨胀的主要成分，宇宙可能的结局也出现了转折……

撰文 | Ethan Siegel

翻译 | 张克文

审校 | 吴非 韩晶晶

观察我们所处的宇宙，我们很容易对它产生敬畏之情。夜空中能够看到的恒星，只是银河系所有天体中的一小部分——大概是数千亿中的几千颗。银河系本身也只是可观测宇宙（直径约为460亿光年）万亿星系中孤独的一个。

这一切都要从138亿年前的大爆炸说起。那是我们认识宇宙的开端，在已知物理定律的前提下，我们可以从它出发，解释宇宙如何演化成现在的模样。现在宇宙仍然在膨胀，形成新恒星，不断演化。但是宇宙的生命会有尽头吗？

标准烛光和标准尺是天文学家用于测量不同时间/距离的膨胀速率的两种手段。基基于标准烛光法测得的宇宙膨胀速率（哈勃常数）是73 km/s/Mpc，而标准尺方法测得的是67 km/s/Mpc。（图片来源：NASA / JPL-CALTECH）

很长一段时间内，根据广义相对论的简单推导以及宇宙在膨胀这一条件，科学家普遍认为宇宙有3种可能的结局。一方面，物质和能量产生的引力将所有东西拉近；另一方面，我们的宇宙存在初始膨胀速率，其作用是将所有东西分离。

遵循相对论的宇宙是被各向同性、均匀分布的物质和辐射填充的，不是静态的。这样的宇宙一定会膨胀或者收缩，这取决于宇宙中的内容物及其含量。（图片来源：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY）

大爆炸是引力和膨胀速率相互角逐的起点。哪一方会在宇宙中占据优势？根据传统的观点，这个问题的答案将决定宇宙的命运。以下是宇宙可能的命运：

1.大挤压：宇宙最终坍缩回去。虽然最初的膨胀很迅速，但是大量物质和辐射将所有的东西都拉回到一起。如果宇宙中的总物质和能量达到一定的值，那么宇宙在膨胀到最大值后，会转为收缩状态，宇宙最终将会坍缩。

2.宇宙永远膨胀下去，最终以“大冻结”结尾。所有初始条件的都和上面的讨论相同，除了宇宙中总的物质和能量不足以逆转膨胀。宇宙会永远膨胀下去，膨胀速率会一直下降，但始终大于零。

3.宇宙的膨胀速率趋近于零。这就像是上面两种情况的临界点。如果多了一个质子，宇宙就会坍缩；少一个质子，宇宙就会永远膨胀下去。在这样的临界状态中，宇宙也是永远膨胀的，但却是以理论上的最低速率膨胀。

为了知道哪一种情况是正确的，我们只需要去测量宇宙的是如何膨胀的，以及膨胀速率是如何随着时间改变的。物理会决定剩下的结局。

这是现代天体物理最重要的目标之一。通过测量宇宙的膨胀速率，我们得知了如今宇宙结构的变化方式；而测量膨胀速率随时间的变化，我们就能知道宇宙结构的演变历史。

将这两块信息拼接起来，能够让我们了解宇宙是由什么构成的，以及宇宙各组分的比例。

根据目前的测量结果，我们已经能够确定宇宙是由0.01%的辐射、0.1%的中微子、4.9%的普通物质、27%的暗物质和68%的暗能量构成。宇宙构成这个问题最早在上个世纪20年代被提出，在上个世纪90年代有了意想不到的答案。

不断膨胀的宇宙中，充满了星系和我们能够观测到的复杂结构。它由高温、致密、均匀的初始状态演化而来。在已知的物质和辐射之外，一定还存在着某种新的能量形式，驱动着宇宙的加速膨胀。（图片来源：C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, AND L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47)）

如果是暗能量主导宇宙的膨胀，这对于宇宙的命运又意味着什么？取决于暗能量如何或者是否随着时间演化，有以下5种可能的情况。

1.暗能量是一种主导宇宙膨胀的宇宙学常数。根据现有的数据，这是目前认同度较高的观点。宇宙膨胀时，物质的密度会降低；而暗能量代表的是空间自有的能量。因此，宇宙膨胀时，暗能量密度保持不变，使得膨胀速率永远是正值，这会导致宇宙指数膨胀。

如果暗能量随时间增加，但是保持负值，大撕裂就会发生。（图片来源：JEREMY TEAFORD/VANDERBILT UNIVERSITY）

2.暗能量是动态的，随着时间会变得越来越强。暗能量看上去是一种新的能量形式，它属于空间自身的性质，这说明它的能量密度应该是一个常数。但是它也可能随着时间改变。一种可能增强，这会导致宇宙膨胀速率随着时间加速。

遥远的天体不仅是在加速远离我们，它们远离的加速度也会越来越大。更糟糕的是，那些受万有引力束缚在一起的天体，比如星系团、独立的星系、太阳系甚至原子，都会在某一刻因为暗能量增强而分离。在宇宙的最后一幕，亚原子粒子和空间本身会被撕裂。这种“大撕裂”是第二种可能。

3.暗能量随着时间衰减。暗能量还可能怎么改变？除去增强，它也可能减弱。如果它降到了零，这可能会回到最初讨论的可能性（大冻结）上去。宇宙会继续膨胀，但是没有足够的物质和其他形式的能量让它坍缩回去。

如果暗能量衰减到零之后继续下降、变成了负值，那么，它会指向另一种可能：大挤压。宇宙会被空间自有的能量填满，由于数值变为负，会引起相反的效应，导致空间坍缩。虽然这形成一景象所需的时间尺度比宇宙目前的年龄大很多，但它还是会发生。

暗能量的不同模型会演化出不同的结果。（图片来源：NASA/CXC/M.WEISS）

4.暗能量可能转变为其他形式的能量，使宇宙重生。如果暗能量不会减少，保持常数或者甚至增加，还有另一种可能性：暗能量不会永远保持这种形式；相反，暗能量可能会转变成物质或者辐射。这与宇宙暴胀结束时的情形相似。

如果暗能量能够在那个节点维持常数，它会制造出一个低温、低密度版本的大爆炸模型。在这种情况下，只有中微子和光子能够自我生成。但如果暗能量增强，它可能会使宇宙变为类似暴胀的状态，紧随其后的是一次真正的热大爆炸。这是使宇宙重生的最直接的办法之一，新的循环宇宙有机会像我们的宇宙一样演化。

最简单的暴胀模型是我们从山顶出发，这时暴涨开始；最后经过下坡到达谷底，这时暴涨结束，引发热大爆炸。如果在谷底的值不为零，仍然是一个正数，则可能会量子隧穿到能量更低的状态上，这样会给我们如今的宇宙带来严重后果。（图片来源：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY）

5.暗能量与真空零点能相关，可能衰变，从而摧毁我们的宇宙。这是宇宙所有可能结局中最具破坏性的一种。如果暗能量对应的真空不是能量最低的真正真空，而是早期宇宙因对称性破缺而进入的一个伪真空状态，会有何后果？

如果是这样，量子隧穿效应使得现在的宇宙进入一个能量更低的状态上，改变物理定律并摧毁如今所有的粒子。如果量子真空不是能量最低的稳定状态，无论衰变在哪发生，都会从一个点出发，以光速传播，摧毁所经之处的一切事物。当信号传到我们这里，随之而来的也是即刻的毁灭。

在景深相同，时长相等的情况下，WFIRST望远镜和哈勃望远镜（左上）所能看到的天区对比。WFIRST能观测的广大区域让我们捕捉到更多遥远的超新星，从而进一步探寻暗能量的本质。（图片来源：NASA / GODDARD / WFIRST）

虽然我们不知道，在这些可能的宇宙结局中，哪一个才是真的，但现有的数据都和第一种可能性相吻合：暗能量是一个常数。我们对宇宙演化历程的观测，特别是宇宙微波背景辐射和宇宙大尺度结构的观测，可以限制暗能量的变化范围。

随着NASA的大视场红外巡天望远镜（WFIRST）计划在2020发射升空，我们可以将暗能量的变化范围缩小至目前的十分之一。如果暗能量使得宇宙结局不同于现有模型，天文望远镜将会是揭示宇宙真相的最佳武器。直到那时，我们将考虑到所有的可能性。而剩下的将由科学决定。