宇宙膨脹會超越引力嗎？最後半小時，太陽系行星和恆星將被撕裂！

2020-10-18 星辰大海種花家

從宇宙的膨脹的其中一個演化發展的結果來看，太陽系各行星之間距離被拉大也只是時間問題，但以現代宇宙的膨脹說來衡量，暫時並不會導致這個結果，但在遙遠的未來來看，太陽系最終的發展將是行星距離被拉大，直至達到基本粒子狀態，這是一個什麼概念？真會如此可怕嗎？

宇宙膨脹與宇宙的命運

能決定宇宙未來命運的力量有兩種，一種引力，它能使物質聚合在一起形成各種天體，也能左右宇宙的未來！另一種是斥力，它會導致宇宙膨脹，同樣可以決定宇宙的未來，簡單的說，我們宇宙的命運就是這兩種力角逐的結果。

愛因斯坦當年用引入了符號Λ來表示物質密度不為零的靜態宇宙存在的度規張量成比例項，他稱之為宇宙常數，也是讓愛因斯坦後悔終身的決定，但其實宇宙常數Λ用在這裡討論宇宙的未來非常合適，因為非常形象！但光有宇宙常數Λ是不夠的，因為還缺少一個宇宙命運的關鍵選項，就是宇宙的形狀。

1922年蘇聯物理學家弗裡德曼用簡化愛因斯坦相對論的方式，以宇宙學原理假設空間均勻性和各向同性，因此大幅簡化了廣義相對論，提出了關於宇宙形狀的著名的弗裡德曼度規。

在這個簡化的方程中出現了宇宙空間曲率K，上圖公式中已經確定了K取值時宇宙的形狀，但當它與宇宙常數Λ結合時將會發生非常有趣的現象，因為這兩種組合產生的宇宙結果將會有很多種，當然我們不需要傷腦筋考慮多種複雜的組合，因為1967年時愛德華·哈裡森將這兩個參數的取值對應的宇宙未來總結成一張圖表，非常直觀

對照上表我們可以發現在大多數情況下宇宙的未來都是膨脹的，那麼宇宙常數到底該如何取值呢？但很抱歉宇宙常數Λ並不太容易確定，不過我們可以用哈勃常數和宇宙密度以及臨界密度的方式代替宇宙常數描述宇宙的未來！

其實用密度與臨界密度的方式描述更容易理解，因為物質聚合在一起能產生約束自我的引力，那麼很簡單，當物質分布太散時，它們就聚合不起來了，那麼我們宇宙的密度是多少呢？臨界密度又是多少呢？

愛因斯坦已經為我們準備好了，根據普朗克衛星觀測到宇宙微波背景輻射，發現宇宙在千分之六的精度上依然保持平坦，那麼根據廣義相對論可以推導出臨界宇宙平均密度公式，如下圖：

H就是哈勃勃常數，其他都是已知參數，取值以WMAP在2006年觀測到的H為70 km/s·Mpc，計算可以得到一個宇宙臨界密度0.9×10^-29g/cm^3，有興趣的朋友可以直接算算。將它現代宇宙密度比較即可知道，我們的宇宙會有三種形狀：

宇宙密度/宇宙臨界密度=Ω0，當Ω0＞1時，宇宙是封閉的有限的空間，當Ω0≤1時宇宙將是雙曲無限空間，噹噹Ω0=1時，宇宙就是平坦的無限空間！

那麼Ω0的值到底是多大呢，其實我們可以通過觀測宇宙形狀的實驗來反推出Ω0的到底是多少，上圖中在不同平面上的三個三角形，球面上的三角形內角和大於180度，雙曲面上的小於180度，而平面上則剛好等於180度，為此天文學家建立了一個橫跨接近半個可觀測宇宙的測量模型。

得到的結果是無限接近於實際角度，即Ω0=1，也就是說我們宇宙是一個平坦的無限空間。而在1998年兩個團隊觀測到宇宙正在加速膨脹而獲得2011年諾貝爾獎，同時提出了導致宇宙膨脹的暗能量概念：暗能量的斥力和宇宙的尺度有關，在宇宙比較小時，引力佔有主導地位，但當宇宙規模夠大時，暗能量逐漸佔據主導，而這個改變發生在45億年前！

大撕裂和太陽系的命運

上文我們了解了宇宙密度Ω0=1的無限平坦空間，而在45億年前宇宙開始加速膨脹，未來宇宙的膨脹可能已經無法阻止。那麼我們可能會面對一個無限膨脹的宇宙，那麼未來的結果會如何呢？

現代宇宙的哈勃常數為67.15km/s·Mpc，這個含義是在每隔326萬光年的距離上，宇宙膨脹的速度增加67.15km/s·Mpc，假如按宇宙膨脹計算，在太陽系的尺度內是一個可以忽略的速度，而且在星系甚至星系團範圍內，引力仍然佔據主導地位！但哈勃常數並不是一個真正的常數，它是會隨著時間改變而改變的，在遙遠的未來甚至可以導致星系之間互相遠離！

大約在最後時刻到來的6000萬年時，引力將無法保持銀河系的漩渦狀，逐漸分崩離析！到最後三個月時太陽系也將受到暗能量的主導，最後的三十分鐘時行星和恆星都將被斥力主導而解體，在最後的時刻中，原子都將瓦解！

這就是大撕裂說，達特茅斯學院的領導者羅伯特·考德威爾在2003年提出的，他計算表明，這個最後時刻大約在500億年後！

另一種比較靠譜的說法則是熱寂

根據熱力學定律，宇宙被看成是一個孤立的系統，宇宙的熵會隨著時間而增加，從有序轉向無序，最終這些有效能量徹底轉換為熱能，溫度達到平衡，這就是熱寂！

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  • 如果宇宙不再膨脹了會怎麼樣？
    如果現有的物質含量超過臨界點，那麼宇宙膨脹會先慢下來，最後停止膨脹，然後呢？根據科學家的說法，隨著物質的增加，引力也會增加，所以引力會開始向內吸引所有的物質，宇宙會開始收縮，隨著它持續收縮，它會變得更密更熱，最後它會陷入奇點，科學家們也把這個現象稱為大坍縮，也就是大爆炸
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    行星的歸宿取決於它所在星系的恆星，當恆星走到生命盡頭，變成一顆紅巨星時，離得較近的行星將會被吞噬，離得較遠的行星將變得異常寒冷，並脫離恆星的引力，在宇宙中「孤獨」地「流浪」。恆星的歸宿無非有三種，矮星，中子星和黑洞。
  • 暗物質和暗能量,會對宇宙造成什麼影響?
    科學界開始意識到，宇宙中除了可被觀測的「重子物質」外，還存在若干倍於普通物質的「暗物質」，由於這些暗物質不與電磁力發生相互作用，所以天文學家無法在電磁波頻段中尋找它們，只能通過引力來確定它們的分布和存在。
  • 宇宙中存在引力,星球之間的距離會越來越小嗎?
    這樣看來，引力的存在是在拉近「彼此」的距離，力的存在會給物體施加加速度，讓物體加速或者減速運動，如果力達到平衡，最終物體會處於靜止狀態。而我們紛雜的宇宙主要是由各種天體構成，例如地球和月球構成行星系統，行星帶著衛星繞恆星運動，構成恆星系統，整個太陽系內還含有大量的小行星和彗星。
  • 如果沒有人類，宇宙還有意義嗎？事實上宇宙本就沒打算有人類！
    恆星的形成康德在18世紀末期提出了恆星形成的星雲說，但當時沒有任何證據，因此這個理論一直要到二十世紀多位科學的努力下不斷成熟，最後被廣泛接受的行星系形成理論是太陽系星雲盤模型，這是蘇聯天文學家維克託·薩夫羅諾夫在1972年出版的《原行星雲的演變與地球和行星的形成》一書中提出的！
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    恆星的形成康德在18世紀末期提出了恆星形成的星雲說，但當時沒有任何證據，因此這個理論一直要到二十世紀多位科學的努力下不斷成熟，最後被廣泛接受的行星系形成理論是太陽系星雲盤模型，這是蘇聯天文學家維克託·薩夫羅諾夫在
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    前不久，NASA設在地球同步衛星上的υ射線天文望遠鏡意外發現一種超級「宇宙怪物」，正以至少超越光速的速度在宇宙中狂奔，所到之處，毫不客氣地「吞食」遇到的恆星和行星，其貪婪的程度仿佛是永遠也沒有「吃飽」過的超級巨獸。