暗能量真的能使宇宙輪迴,生命流轉,回歸至「零點」嗎?

2020-12-05 天文在線

我們宇宙的誕生、膨脹，以及向最終命運的驅動、暗能量的加速膨脹等，都有著驚人的相似之處，這讓人不禁猜測它們之間否有關聯。事實上，本周選擇的問題來自安德魯·吉列，他想知道：如果永恆的膨脹是正確的，那麼暗能量能否成為回到原始狀態的前兆呢？

這不僅是可能的，甚至可能不需要永久膨脹。我們先從討論宇宙誕生之前的階段開始（依據我們已知的）：宇宙膨脹。

圖片來源： NASA / WMAP科學團隊.

當我們所知的宇宙（充滿物質和輻射）形成的時候，具有一些並非如此奇怪的性質開始：它在空間上是平的，到處都是相同的溫度，沒有超高能量的遺蹟，它有一個非常特殊的過度密集和欠密集區域的模式。宇宙可能是從這些條件開始的，但宇宙膨脹的概念是，如果宇宙開始就指數膨脹，其本身就有大量能量，然後這個膨脹周期就結束了，在所有這些條件都已具備的情況下，它將創造一個炙熱的大爆炸。這樣的結論花了好幾年才被計算出來，從宇宙微波背景的波動中得到的證據也花了更長的時間來證實這一點，但現在人們明白，宇宙膨脹是我們宇宙歷史上第一件能用可靠證據指出的事情。

在膨脹過程中，量子尺度上的時空波動在宇宙中被拉伸，導致引力波和密度波的不完美。

圖片來源：E.Siegel，圖片來源於ESA/Planck和DoE/NASA/NSF機構間CMB研究工作組。

永恆膨脹是宇宙膨脹的一個分支，基於一個你可能不會經常想到的屬性。通常，當你在自然界中有一個轉變——如一壺水從液態轉變為氣態——它會在不同的位置開始，這些位置會膨脹並合併在一起。在沸水的情況下，我們稱之為「滲透」，當小氣泡上升並合併在一起，在它們到達表面時產生更大的氣泡。然而，在膨脹中，存在這樣一個問題，即膨脹沒有在某個特定時間點結束的地區繼續呈指數增長，這就防止了膨脹結束的地區「滲透」。因此，我們可觀測到的宇宙，必須全部包含在一個單一的泡沫中，而不是由許多一起滲透的泡沫構成。

一個永恆膨脹的例子；紅色x出現的地方，膨脹結束，引起一個熱的大爆炸，但是藍色方塊持續存在的地方，則繼續膨脹。在數學上，為了獲得足夠的膨脹來創造我們的宇宙，你需要讓膨脹無限期地持續下去。圖片來源：E.Siegel。

不過，在光譜的另一端，我們的宇宙膨脹似乎正在加速。對這一點最好的解釋，以我們所測量到的最精確的程度來說，是空間本身固有能量中有一小部分：我們稱之為暗能量。這個能量成分是無所不在的——它在空間中分布均勻——而且它非常小：如果你通過愛因斯坦的E=mc^2把它轉換成質量，它只相當於宇宙中每立方米一個質子。但空間不止龐大，而且還在膨脹。因此，隨著時間推移，這種暗能量變得越來越重要，最終，在大約80億年後，導致宇宙的膨脹加速，並在後來成為宇宙中能量的主要組成部分。

我們宇宙有四個可能的命運，我們生活的宇宙就在其中，由暗能量支配。圖片來源：E. Siegel.

這兩個時期看起來可能大不相同：膨脹和後期加速擴張。實際上，這些能量標度的大小相差約10^120倍！但它們都代表著空間本身固有的能量，它們都會導致空間指數級的膨脹，如果有足夠的時間——膨脹的時間是幾分之一秒，對於暗能量是1萬億年——它們會把所有物質整合到宇宙中的一個單一結構中，並將其分開。有一整類的模型，通常被稱為是尋求統一膨脹和暗能量的典範。

那麼，我們的宇宙自我循環的可能性有多大呢？現有兩個可能性高的結果。

未來，暗能量可能的演化方式。恆定或加速膨脹可能潛在地使宇宙逆向演化(變年輕)。圖片來源：NASA/CXC/M.Weiss.

1.)暗能量如果真的是一個宇宙常數，它便可能是宇宙膨脹期遺留下來的能量。進而，就沒有理由認為，在足夠長的時間內它不會衰變成能量更低的狀態！也許這種轉變會產生眾多質量很低的粒子，如中微子、軸子(axions)或更奇特的東西，它們可能在足夠大的時間尺度上相互結合形成類似恆星、行星甚至人類這樣的存在。僅僅因為我們無法正真體會到它並不意味著它是無稽之談，它是宇宙在遙遠未來的一個潛在命運，即使需要極長的時間(10的99次方年)才能發生。

2.)暗能量可能不是宇宙學常數，但可能隨著時間的推移增加強度。如果真是這樣，那麼暗能量的強度將持續增大，最終導致一個「大撕裂」(Big Rip)的場景，宇宙中所有結構最終都會自我瓦解。但在埃裡克·加威斯爾(Eric Gawiser)的設想下，有可能在最後時刻(空間湮滅前)，空間的固有能量轉變成一場熱大爆炸(和宇宙誕生時的場景類似)！

現在，我們有最有力的證據說明暗能量確實是宇宙常數，所以著場景2.)就不必考慮了。如果沒有可供暗能量去轉變的低能量狀態，那麼場景1.)也不存在，但以現有的理論知識我們還無法排除其中任何一個。如果要我打賭，我會說轉換終態能量低的可能性大，但暗能量是恆定常數的想法得到了現有數據更好的支持。但在我們確定之前，我們必須對所有的可能性敞開心扉！

美國國家航空航天局(NASA)的歐幾裡得(EUCLID)任務，NASA的廣域紅外勘測望遠鏡(WFIRST)以及大型綜合巡天望遠鏡(LSST) 將幫助我們以更高的精度測量暗能量，以便為第二種可能情況提供支持或否定的證據，而理論高能物理學的發展可能會告訴我們更多關於第一種可能性的信息。無論如何，問題的答案是：暗能量可能預示著從膨脹的狀態逆向演化為一場熱大爆炸，但它並不依賴持續膨脹的本質屬性！

作者： Ethan Siegel Senior Contributor

FY: blue feather

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