大擠壓 亦稱大崩墜 (英語:Big Crunch ),是一种关于宇宙的终极命运 的假说 ,当中宇宙膨胀 将会逆转,宇宙会重新坍缩、最终使宇宙标度因子 归零。之后,宇宙可能会发生另一次大爆炸 。绝大多数证据表明,这假说不会成立;天文观测结果表明,宇宙膨胀 正在加速,而没有被引力 减缓,表明宇宙可能终结于热寂 。[ 1] [ 2] [ 3] 不过,也有新理论认为大挤压类事件可能通过暗能量 波动的方式发生;不过,科学家们对此仍存争议。[ 4]
大挤压说可追溯到1922年,苏联物理学家亚历山大·弗里德曼 提出了一组方程,指出宇宙的命运取决于其密度 。宇宙或者膨胀,或者收缩,而不会保持稳定。只要有足够多的物质,引力就能阻止膨胀,最后使其逆转;这会使宇宙自我坍缩,与黑洞 并无太大区别。[ 5]
大挤压的最后将充斥着来自恒星和高能粒子的辐射 ,被凝聚、蓝移 到更高能量后,其强度足以在恒星碰撞前点燃其表面。[ 6] 在最后时刻,宇宙将变为温度无穷高的大火球,时空也不复存在。[ 7]
概览
大挤压假说认为,整个宇宙的物质密度足够高,引力将克服始于大爆炸的膨胀。FLRW宇宙学 可根据平均能量密度 、哈勃参数 与宇宙学常数 预测膨胀是否会停止,若停止了,则收缩便不可避免、逐渐加速,宇宙将终结于引力坍缩 ,变为黑洞。
1990年代末、2000年代初的实验证据(即作为标准烛光 的遥远超新星 的观测,以及对宇宙微波背景辐射 的高分辨率绘图)[ 8] 得出的结论是,宇宙加速膨胀 ,而非在减速。这一结果荣获2011年诺贝尔物理学奖 。[ 1]
大挤压说还引出了所谓大反弹 说,即大挤压之后,宇宙会发生某种反弹,引发下一次大爆炸。[ 9] 这现象可能永恒重复下去,即所谓循环模型 。
历史
教会人士、学者理查德·本特利在准备一场关于牛顿理论和反无神论 的演讲时,给艾萨克·牛顿 写信:
“倘若我们生活在有限的宇宙中,所有恒星都相互吸引到一起,它们会不会都坍缩到一个奇异点上?又若我们生活在有无限多恒星的宇宙,那么各方向上的无限多力,会不会影响到所有这些恒星呢?”
这个问题被称为“本特利悖论 ”,[ 10] 可以视作大挤压说的雏形。不过现在人们已经知道,恒星是运动的,并非一成不变的。
牛顿《原理 》复制本。这本书让理查德·本特利给牛顿写了信。[ 11]
爱因斯坦的宇宙学常数
阿尔伯特·爱因斯坦 倾向于完全不变的宇宙模型。1917年,他同荷兰天文学家威廉·德西特 合作,以证明广义相对论 可运行在静态模型;威廉·的希特证明他的方程可以描述一个非常简单的宇宙。科学家们最初没发现问题,于是对其进行了改造以描述宇宙。然而,他们遇到了另一种形式的本特利悖论。[ 12]
广义相对论也将宇宙描述为不稳定的,与爱因斯坦发现的信息矛盾。于是爱因斯坦意识到,若宇宙静止(基于当时的观测)就需要一种反重力 机制,以抵消令宇宙收缩的引力。这会破坏相对论方程。最后他在方程里增加了宇宙学常数 项。[ 13]
哈勃定律的发现
哈勃用来发现哈勃常数的散点图。
在威尔逊山天文台 工作的埃德温·哈勃 测量了星系间的距离,并将其与维斯托·斯莱弗 、米尔顿·赫马森 测量的与之相关的红移 进行比对,发现天体红移与距离存在大致的比例关系。哈勃从46个星系的数据中绘制了一条趋势线,研究并获得了哈勃常数 ,他推算得
500
k
m
/
s
/
M
p
c
{\displaystyle 500{\rm {km/s/Mpc}}}
,是今日测得哈勃常数的7倍,不过仍证明了宇宙正在膨胀,不是静止的。[ 14]
放弃宇宙学常数
哈勃发表自己的发现后,爱因斯坦彻底放弃了宇宙学常数。在其最简形式中,方程产生了膨胀或收缩的宇宙模型;这与当时表明静止的观测结果相悖,这才有了宇宙学常数。[ 15] 宇宙膨胀得到证实后,爱因斯坦称自己的静止宇宙是“最大的错误”。1931年,爱因斯坦拜访了哈勃,感谢他“建立了现代宇宙学的基础”。[ 16]
之后,爱因斯坦和牛顿的收缩/静止宇宙模型便被废弃了。
循环宇宙
“大反弹 ”说认为,宇宙坍缩之后将回到初始状态、引发下一次大爆炸,周而复始。这样,宇宙将永远存在。[ 9]
爱因斯坦在1931年曾短暂考虑过这样的循环模型 。
火宇宙模型
火宇宙模型的基础,两模的描绘。
还有更现代的循环模型。保罗·斯泰恩哈特 提出的火宇宙 理论认为,宇宙大爆炸可能是两个平行的轨形 平面(称作膜 )在高维空间中相撞造成的。[ 17] 4维宇宙位于其中一膜。碰撞相当于大挤压,然后是大爆炸。我们周围的物质与辐射都来自膜之前的量子涨落 。一百多亿年后,宇宙达到现代状态;再过几十几百亿年,它将开始收缩。暗能量 对应膜之间的力,使之前理论中的平坦性问题 和宇宙暴胀 得以解决。循环也可以无限延伸到过去和未来,吸引子 可以让宇宙历史更完整。[ 18]
这就解决了早期模型中宇宙因熵 的积累而进入热寂 的问题。新模型每个循环后都会出现净膨胀,从而避免熵的积累。不过,仍有缺陷:理论的基础——膜 仍未得到完全理解,且标度不变 谱也可能在大挤压中破坏。宇宙暴胀 和力的一般特征——或说,在火宇宙模型中膜的碰撞——是产生真空涨落 所必须的,是已知的。粒子物理学 的候选还没有出现。[ 19]
共形循环宇宙学(CCC)模型
显示宇宙周围不同热点的CMB地图。
物理学家罗杰·彭罗斯 提出了一种基于广义相对论的共形循环宇宙学 ,当中宇宙不断膨胀,直到所有物质衰变为光子。之后,由于宇宙中没有任何东西与时间或距离相关联,这就与大爆炸变得相同(导致一种大挤压,成为下一次大爆炸,开始下一次循环)。.[ 20] 彭罗斯和Gurzadyan指出,宇宙微波背景 中可能可以发现共形循环宇宙的迹象,不过截至2020年,尚未观测到。[ 21]
有怀疑指出,为将无穷大宇宙与无穷小宇宙相配,当宇宙变老时,所有粒子都要失去质量;而彭罗斯提出了CCC的证据,即在CMB中存在温度均匀的环,这是我们这个宇宙周期的标志,是上一个宇宙周期的黑洞碰撞所产生的球状引力波造成的。[ 22]
环量子宇宙学(LQC)
环量子宇宙学在膨胀宇宙和收缩宇宙之间架起了“量子桥”,量子几何产生了一种全新的力,在低时空曲率中可忽略不计,但在普朗克机制 下会迅速上升、压倒经典引力,解决广义相对论 的奇点问题。一旦奇点得到解决,宇宙学的概念范式也将改变,迫使人们从新角度重审标准问题(如视界问题)。[ 23]
这模型中,量子几何使大爆炸被大反弹取代,不需任何假设,也没有任何微调。环量子宇宙学中的有效动力方法被广泛用于描述普朗克尺度的物理,以及宇宙的起源。数值模拟证实了有效性,其提供了完整环量子宇宙学的良好近似。研究表明,当状态在晚期有非常大的量子涨落时,便不会产生广义相对论描述的宏观宇宙;而有效动力学在大反弹和晚期宇宙附近会偏离量子动力学。这时,有效动力学会高估反弹时的密度,而仍能很好捕捉定性性质。[ 24]
来自物理理论的经验情景
如果暗能量的(主要)解释是由沿着单调递减的势能向下演化的标量场驱动的第五元素 形式,且当前数据(特别是对暗能量的观测约束)真实,那么在未来1亿年的近未来,宇宙的加速膨胀就将变为收缩。据Andrei-Ijjas-Steinhardt的研究,这情景“自然地符合循环宇宙学 和最近关于量子引力 的猜想”。研究表明,缓慢收缩阶段将“持续约10亿年,之后宇宙才过渡到新的膨胀阶段”。[ 25] [ 26] [ 27]
影响
保罗·戴维斯 构想了大挤压发生在1000亿年后的情景,他的模型中,收缩过程大致与膨胀阶段相反。首先,星系团 合并,接着是星系。宇宙微波背景 (CMB)的温度开始上升,因为CMB光子会蓝移 。恒星会变得极近、开始碰撞。待微波背景比M型星 更热(戴维斯模型大挤压前约50万年),恒星由于无法散热,将逐渐自我蒸发。O型星 约在大挤压前10万年开始蒸发。最后几分钟,宇宙的高温将使原子 和原子核 破裂、被吸入已经形成的黑洞 。大挤压时,宇宙所有物质都将被挤到无限热、无限致密的奇点 ,类似于大爆炸 。[ 28] 大挤压之后可能会有大爆炸,创造出新的宇宙。
參見
参考文献
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