宇宙最后的结局是什么(宇宙的最终结局是什么)

来源:八戒影院人气:667更新:2022-08-12 00:24:35

关于“宇宙”的各种问题,比如说:宇宙没有起源?宇宙有没有终局?宇宙是不是永恒的?可以说都是终极问题。今天,我们就来聊一聊:宇宙有没有尽头?

我们的古人很早就发现了一些关于“宇宙”的奥秘。比如,在中国的古代典籍《淮南子》当中就写到了:

往古来今谓之宙,四方上下谓之宇。

意思是说,宇代表空间,宙代表时间。

总的来说,过去的人大多秉持的这样一种观念:宇宙是永恒的。而且这种观念根深蒂固,爱因斯坦在提出广义相对论时,就发现广义相对论的引力场方程预示着:宇宙膨胀。

但是,由于爱因斯坦一直认为“宇宙是永恒的”,于是,他给引力场场方程加了一个宇宙学常数Λ。这样宇宙学常数Λ就抵消了膨胀效应,让宇宙处于静态。

可万万没有想到,宇宙学常数Λ,也打开了人类探索宇宙尽头的大门,从此一发不可收拾。

爱因斯坦的信念马上遭到了天文学家哈勃的实力打脸。哈勃通过观测发现大多数的星系存在红移的现象,也就是说,它们都在离我们远去,这也预示着宇宙正在发生膨胀。

当爱因斯坦得知这个消息时,也是十分震惊,据说给引力场方程加上宇宙学常数Λ成为了爱因斯坦一生中最后悔的事。于是,爱因斯坦摒弃了宇宙学常数Λ。同样是得知宇宙膨胀的勒梅特,他开始进行反推,如果宇宙一直在膨胀,那宇宙就应该有一个开端。基于爱因斯坦的广义相对论,勒梅特提出了:

宇宙拥有一个有限的过去,并且存在这一个炽热的开端。

但是问题来了,我们可以思考一下这么一个问题,如果有一辆车A点开到B点,我们通过仪器可以测出这两点的速度,A点是10m/s,B点是20m/s,我们如何才知道这中间过程中,车子的运动是什么样子的?

实际上,情况可以有很多种,比如:

其实还有很多路径,我们其实没办法确定的。同样的,宇宙的膨胀也是如此,我们知道现在的膨胀速率,知道它有一个起点,但我们并没有办法确定这中间宇宙发生了什么。

于是,勒梅特在1934年发表了一篇论文,把宇宙学常数Λ重新引入到了场方程中。

此时的宇宙学常数Λ不再是用来抵消宇宙膨胀的,而是代表与引力相反的排斥力,多说一句,这时和爱因斯坦的宇宙学常数最大的不同是取值,这个取值要稍微大一些。进一步,勒梅特还提出:

宇宙膨胀的速度并不是恒定不变的,一开始减速,因为物质的引力占了主导,后来宇宙学常数Λ所代表的排斥力占了主导,宇宙开始加速膨胀,然后一直加速下去。

爱因斯坦对于勒梅特的观点是非常赞同的,他认为这是对于宇宙起源最好的解释。事实上,勒梅特的理论很接近如今的宇宙学模型。

后来,又经过几代科学家的努力,这个理论逐渐发展成了大爆炸模型。

在这个模型中,宇宙常数可以理解成真空能,宇宙大概诞生于在138亿年前(最新观测的结果是:13.799 ± 0.021 x 10^9年),因为早期的宇宙尺度很小,引力占据了主导,膨胀不受真空能的影响,宇宙减速膨胀,达到了今天宇宙尺度的57%时,真空能才开始发挥作用,此时的宇宙膨胀速度是最慢的。后来,随着时间的推移,在距今45亿年前后,宇宙的尺寸达到现在宇宙的73%时,宇宙从减速膨胀开始转变为加速膨胀。

那能不能利用宇宙学常数Λ来解决宇宙的终局问题呢?由于宇宙学常数Λ并不好把控,对于宇宙终局的研究并没有那么顺利,科学家开始寻找更优的解决方案。他们发现,

确定宇宙的年龄只需要两个参数,一个是哈勃常数H,一个是宇宙质量密度ρ。

其中哈勃常数H可以通过观测星系进行测量,它代表了宇宙普遍的膨胀速率。那宇宙的质量密度ρ呢?

通过广义相对论,我们可以得到:

当一个以物质为主的宇宙停止膨胀时,所需要的宇宙密度,我们称为宇宙临界密度ρ。

之前,我们也提到,根据最新的观测,宇宙在大尺度上是平坦的,因此,我们得到宇宙临界密度的表示:

如果将哈勃常数取值为70 km/s·Mpc ,我们就可以得到宇宙临界密度是ρ=0.9×10^(-29)g/cm^3。这大概就是1立方米只有一个氢原子的水平。那这个宇宙临界密度该如何用呢?

我们可以把宇宙的实际密度和宇宙临界密度做个比值,然后就可以得到一个密度参数Ω0。

有了这个密度参数Ω0,宇宙的未来就尽在你手了。

以上其实就是我们常听说的大挤压、大反弹、循环论、大撕裂的宇宙终局假说的推导过程,我们可以来简单总结一下:

当然,如果你对天文学感兴趣,一定还知道热寂说。

其实热寂说也是在密度参数Ω≤1时才成立的。也就是引力无法和宇宙膨胀效应进行抗衡,宇宙膨胀成指数发展。根据热力学第二定律,宇宙中的恒星会逐渐都熄灭,然后黑洞会蒸发掉,最后热量会均匀分布,不再有热传递的过程,也就没有了信息传递,宇宙陷入一片死寂。

加上热寂说,以上这些假说也就是目前关于宇宙终局的最主流的几个假说。

你现在可能已经一脸懵X。不过没有关系,我们可以再来总结一下。按照如今的观测结果,宇宙加速膨胀会导致在未来很多很多地方的光将永远也无法到达地球。

在足够长时间的未来,在地球上将会什么也看不到,宇宙膨胀速率太快,导致任何的物理过程都没办法持续进行。

PS:关于宇宙未来的时间预测和假说,目前说法众多,为了方便叙述,这里只选取某种说法,请不必过分纠结。

熵寂真的是宇宙的必然结局吗?

这一说法的来源

这一说法最早来自于德国物理学家克劳修斯对热力学第一、二定律的推广应用,“宇宙的熵趋于最大”(Clausius,1865),其在宇宙命运方面的推论在科学家这个群体本身之间就没有取得广泛的认同,甚至被认为是错误的。

这里的熵寂指的是宇宙达到一种热力学平衡的状态,也就是系统不再随时间发生变化,时间箭头消失,熵的绝对值达到最大,统计物理中把它叫做系统在此时的微观态数目达到最大或者叫做最可几。注意,热力学所指的热寂或者热死并不是指热没了,宇宙一片冰冷,当然这也属于热寂,而且这可能是宇宙的最终命运(后面我会讲到这个也充满争议),但并非特指热力学热寂。

举个例子,为了便于理解,你可以把一个孤立的盒子里完全扩散开的烟,或孤立的一杯完全混合的牛奶咖啡近似看为热力学熵寂或热寂,虽然它们还具有足够的温度(如果你能想到引力,说明你考虑问题够全面,这个后面再说)。

用热力学第二定律判定宇宙命运,问题出在哪?

1、有限空间:热力学第二定律简单说来:孤立(不是封闭,有很大的区别)系统熵增总是大于0。这一理论的提出源于对热机或者说蒸汽机的研究,空间、压力、温度、熵增、功等参量是其研究的对象,也就是说这一理论是在有限空间中得出的规律,而将这一规律推广到宇宙本身,会缺乏科学根据,因为,宇宙即是空间本身。(当然这一说法在学术界是有争议的,有人认为可以适用,所以只能作为可能的问题之一。)

2、引力:热寂说的错误还在于它只看到了过程中能量耗散的一面,而没有看到与此同时还存在着能量集结和活动起来的另一面。这其中就包括引力的作用,大量的学术文章就专门论述过这个因素,而这可能是让热寂说存在问题的最重要的原因。

现实中我们看到,引力让第一代恒星的余烬重新聚集而再次成为能量和物质之源。1984年,南鱼座阿尔法周围也曾发现了新的行星系统正在集结形成的证据。美国著名物理学家费尔奇教授(1980年诺奖得主)曾说:我们从地球上望出去,能看到一个非常有秩序的宇宙,倘若它的熵永远增加,宇宙怎么会是这个样子呢?

上图中,0.1千克重的小球在地面的热力学几率是10米高处的2.4*10的21次方倍,所以小球自发从低处到达高处的几率是其倒数(微乎其微),低处的熵比10米高处的熵更高,其中就包括了引力热能的因素。

填前面的一个坑,引力,因为引力,产生了恒星,行星及宇宙万物,你可能会误解这一现象,认为这是熵减的现象,为什么?因为你把熵增与无序等价了(是不是听过了太多沙堡的鸡汤),事实上这是错误的,这种星体的集聚过程是力学平衡和热平衡的结果,其中释放了引力势能,导致热能的增加,这一过程必有熵的增加,当有引力作用时, 气体从均匀走向结团依然是熵增加过程,熵增并非等同与无序。

好了,既然熵未减少,你告诉我引力是错误点干吗?原因在于,热力学中的熵寂是建立在子系统间有足够多的碰撞时才成立的,自宇宙诞生之初开始,由于退耦和膨胀,微观粒子(如中微子)和宏观物体(如星体)已经并将会失去更多的碰撞机会,这将导致宇宙的熵将不会趋于极大化(熵寂)。

3、孤立系统:对非孤立的系统的研究,比如封闭(有能量交换)或开放系统(有能量和物质交换)的研究表明,系统的熵到达极大值的终点之前,可能会进入到熵增极小的定态或稳衡态,我们人类、万物的出现就是一个极好的例子。

1977年诺贝尔化学奖得主,俄国犹太裔物理化学家伊利亚·普里戈金通过勇敢踏入远离平衡态的不可逆过程,研究耗散、自组织结构,建立了非线性热力学理论,它表明非孤立系统演化的极端复杂性,自然界中化学、物理、生物等方面所表现出的耗散、自组织结构不胜枚举。

那么,宇宙,它是孤立的吗,还是非孤立的?也就是说,它有外界吗?它与外界有能量和物质交换吗?现在可能还没有定论,但真空量子涨落、多元宇宙、黑白洞、量子引力论等理论都对我们这个宇宙是孤立的这一条件提出了挑战。

阿西莫夫的著名科幻小说《神们自己》对于热力学第二定律及平行宇宙展开了丰富生动的想象,电子通道成为联接平行宇宙的关键。那么,不同宇宙间的能量交换如果就在现实中存在呢?这种想法真的很有趣。

总之,科学界对热寂能否应用于宇宙多持否定态度,更别提及必然了。

现代观测证据所预言的大冻结宇宙命运会发生吗?

关于宇宙因膨胀而热寂(而非达到热平衡)的具体图像是:恒星会继续持续形成大约1-100万亿年,所有可用于聚变的材料耗尽,黑洞主宰宇宙,随后,由于霍金辐射,黑洞也会最终消失,1个太阳质量的黑洞会在1后面接8个亿年后蒸发掉,超大的黑洞会在10的106次方年内消失。我知道,这对你来说,都不算什么,因为你想:管它多长时间,反正是有这个结果!总之这最后的坚持也消失了,宇宙中将充满光子或其他一些基本粒子。

目前的观测证据显示,由于暗能量的作用,宇宙正在加速膨胀,在这一效应的继续助攻下,原本一锅还算比较浓的粒子汤会无限的稀释,最终,哈勃常数趋于无穷大而影响到微观尺度,整个宇宙将变的只有密度无限小的基本粒子(如光子、中微子等),温度接近于0,梯度和结构全部消失。

似乎是命中注定

基于目前的理论和观测,如果将我们的宇宙确定为孤立的宇宙,如果暗能量的性质不发生改变,那么,这种被称为“大冻结”的宇宙命运目前看来是注定的,既使它经历了10后面不知道多少个0这么长的时间。看来你真的赢了!

但是!在你读完前面讲到的热力学热寂判定宇宙命运的不妥后,我将继续向你讲述与之关联2个重要因素,这是在“大冻结”之前必须要考虑的。

黑洞蒸发:理论上黑洞蒸发对于黑洞来说是一个熵减的过程,基于霍金辐射的黑洞蒸发理论会遇到一个原始信息丢失的麻烦,黑洞消散时,其信息内容似乎丢失了,它违反了量子理论的核心原则,即物理信息不灭,这就是所谓的黑洞信息悖论,为了调和这一矛盾,理论上黑洞的可能命运是会留下残余物,甚至在2019年,斯坦福理论物理研究所的彭宁顿开展的研究将黑洞与虫洞联系在一起以解决信息丢失问题。我们宇宙的物理信息会转移出去吗?

宇宙膨胀:真的会一直加速膨胀下去吗,这是对目前观测证据的推论,由于暗能量,宇宙正处于加速膨胀的状态,但我们对于宇宙的认识还很有限,还没有搞清楚暗物质和暗能量这2大迷团,没有理论能够直接排除掉宇宙的膨胀会重新刹车进而转为收缩,前面讲到了,宇宙可能并非是孤立的系统。在如此之长的时间尺度下,暗能量这一宇宙学常数的性质是否会如同之前一样做出改变呢,只不是朝着相反方向?暗物质是否会继续占具上风?谁也不知道!相关的研究如“EBI宇宙热力学和双标量场理论下的宇宙演化规律”就描述了宇宙经历膨胀-收缩-再膨胀的3个阶段,它表明宇宙膨胀或收缩的过程在过去是改变过的,至于将来,会一尘不变吗?谁也无法确定!

另外,质子衰变:理论预测质子的寿命在10的32次方年以上,也就是在黑洞完成蒸发之前,除黑洞之外的星体如白矮星、中子星将衰变分解湮灭,最终可能只留下中微子和光子。虽然这似乎并不影响宇宙大冻结的结果。

总之,由于引力、非孤立系统的猜想,宇宙很大程度上已经无法走向热力学熵寂了。对于宇宙“大冻结”这一貌似无解的结局,我们可以持开放态度!

好了,讲完了,迷糊了没,小手点赞关注一下吧!欢迎留言探讨。

参考文献:

1、《大学物理(上)》;

2、《理论物理简明教程(上)》;

3、《温度与熵》;

4、《EBI宇宙热力学和双标量场理论下的宇宙演化模型》

5、《宇宙深化与热寂说》,物理,2011

6、百度、wiki等

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