自1929年哈勃發現宇宙的膨脹以來,現代宇宙學模型逐步得到完善。科學家們認為,宇宙從奇點開始,發生大爆炸並逐漸膨脹。由於宇宙的膨脹,各星系越離越遠,這就是我們所發現的星系退行,而且離我們越遠的星系,退行速度越快(哈伯定律:v=HD)。
科學家還形象地把宇宙比喻成一個膨脹的「氣球」,隨著「氣球」被越吹越大,氣球表面的所有星系之間的距離都在增大。當然,這裡所說的「球面」與我們平時所理解的有所區別,這個「球面」是四維空間中的一個「超球面」。將這個「氣球」吹大的神秘力量就是所謂的「暗能量」。
[attach]129401694[/attach]那麼,問題來了,既然宇宙一直在膨脹,那麼為什麼還會有行星膨脹呢?而且星系碰撞還是宇宙中常見的一種現象,科學家甚至發現我們的鄰居星系——仙女座星系正向我們高速飛奔而來,並預計大約在37億年後與我們的銀河系發生碰撞。
這就不得不提到宇宙中的引力效應了,星系之間以及「暗物質」的引力作用使得宇宙中的星系出現「抱團」現象,形成所謂的「星系團」或「星系群」。星系團或星系群在宇宙膨脹的過程中,會保持相對穩定的狀態,就像下圖一般,各個點代表星系團/群:
[attach]129401695[/attach]宇宙的創生
爆炸之初,物質只能以中子、質子、電子、光子和中微子等基本粒子形態存在。宇宙爆炸之後的不斷膨脹,導致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻,逐步形成原子、原子核、分子,並複合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星雲,星雲進一步形成各種各樣的恆星和星系,最終形成我們如今所看到的宇宙。
暴漲模型允許宇宙的物質和能量從無中產生。大統一理論認為,重子數允許不守恆,而宇宙中的引力能可粗略地說是負的,並精確地抵消非引力能,總能量為零,因此宇宙從無中演化是可能的。
「無」並非是絕對的虛無,真空能恰恰是一種特殊的物質和能量形式。如果進一步說真空能起源於「無」,那麼這個「無」也只能是一種未知的物質和能量形式。從現代物理學的觀點看,真空也可視為物質。
宇宙不論多麼巨大,作為一個有限的物質體系 ,也有其產生、發展和滅亡的歷史。暴漲模型認為宇宙中的物質與能量形式不是永恆的,把「無」作為一種未知的物質和能量形式,在認識論和方法論上有一定意義。
現代宇宙學不是晦澀無用的哲學思辯,而是建立在天文觀測、數學模型、物理實驗基礎上的現代科學,完全有能力認知宇宙的奧秘。天文學家們指出,大爆炸必然會發生,原因是「虛空」本質上是不穩定的,可以從量子力學和廣義相對論中推導出來。在量子力學的尺度,空間將不穩定,不再顯示平滑和連續,空間和時間失去穩定性,混雜形成時空的泡沫,微小的時空泡可以自發形成。量子化的時空產生漲落,宇宙產生於「虛空」。
不斷膨脹
大爆炸散發的物質在太空中漂游,由許多恆星組成的巨大的星系就是由這些物質構成的,太陽就是這無數恆星中的一顆。科學家發現宇宙中有一種 「暗能量」會產生斥力而加速宇宙的膨脹。相對的,還有「暗物質」有巨大的吸引力。
大爆炸後的膨脹過程是一種引力和斥力之爭,爆炸產生的動力是一種斥力,它使宇宙中的天體不斷遠離;天體間又存在萬有引力,它會阻止天體遠離,甚至力圖使其互相靠近。引力的大小與天體的質量有關,因而大爆炸後宇宙的最終歸宿是不斷膨脹,還是最終會停止膨脹並反過來收縮變小,這完全取決於宇宙中物質密度的大小。
理論上存在某種臨界密度。如果平均密度小於臨界密度,宇宙就會一直膨脹下去,稱為「開宇宙」;要是平均密度大於臨界密度,膨脹過程遲早會停下來並收縮,稱為「閉宇宙」。
證據表明,宇宙中可能還存在著尚未觀測到的所謂的暗物質,其數量遠遠超過可見物質,這給平均密度的測定帶來了很大的不確定因素。目前來看,開宇宙的可能性大一些。
加速膨脹
諾貝爾獎獲得者布萊恩·施密特指出:「物質與物質之間的空間正在加大。「2011年,布萊恩·施密特和他的同事因利用「超新星」作為「宇宙探測器」發現宇宙的加速膨脹而獲得了當年的諾貝爾物理學獎,在研究之初,他們的想法是測量宇宙的膨脹速度如何因為萬有引力的作用而減緩,而最終的發現卻出乎人們的意料,事實證明,宇宙的膨脹速度越來越快。他解釋道:「我們觀察物體遠離我們的速度,就像都卜勒雷達採用都卜勒頻移來定位、測量一樣。我們測量距離以及這些動作劃分的距離,從而計算出宇宙的膨脹速度。我們的測量方法就是觀察遙遠的物體,在不同的時間做同樣的測量,通過比較得出結論。從這個角度來說,這是一個很簡單的實驗。通過比較過去與現在測量的不同距離,我們得知現在宇宙的膨脹速度比以往快很多。
研究人員計算出目前的宇宙膨脹速度,即所謂哈勃常數,約為73.2公里/(秒·百萬秒差距)。每百萬秒差距相當於326萬光年,因此一個星系與地球的距離每增加百萬秒差距,其遠離地球的速度每秒就增加73.2公里。這意味著,在98億年內,宇宙天體間的距離將擴大一倍。
宇宙的結局
熱力學定律不會讓宇宙獲得永生,新的恆星無法繼續形成時,宇宙抵達熱寂平衡點,宇宙的狀態如同誕生之初的那一碗湯狀時空。熱寂是熱力學上的終點,整個宇宙任何一處的溫度都僅僅比絕對零度高一些,這意味著沒有東西會倖存下來。
少部分科學家認為,宇宙結局如果是大坍縮,所有的物質最終都會變成原子狀態,再經過一次偶然的量子漲落,新一輪的大爆炸又形成了,下一個宇宙誕生。
宇宙學家認為,如果宇宙能量密度等於或者小於臨界密度,膨脹會逐漸減速,但永遠不會停止。恆星形成會因各個星系中的星際氣體都被逐漸消耗而最終停止;恆星演化最終導致只剩下白矮星、中子星和黑洞。相當緩慢地,這些緻密星體彼此的碰撞會導致質量聚集而陸續產生更大的黑洞。宇宙的平均溫度會漸近地趨於絕對零度,從而達到所謂大凍結。此外,倘若質子真像標準模型預言的那樣是不穩定的,重子物質最終也會全部消失,宇宙中只留下輻射和黑洞,而最終黑洞也會因霍金輻射而全部蒸發。宇宙的熵會增加到極點,以致於再也不會有自組織的能量形式產生,最終宇宙達到熱寂狀態。在ΛCDM模型中,暗能量以宇宙學常數的形式存在,這個理論認為只有諸如星系等引力束縛系統的物質會聚集,並隨著宇宙的膨脹和冷卻它們也會到達熱寂。對暗能量的其他解釋,例如幻影能量理論則認為最終星系群、恆星、行星、原子、原子核以及所有物質都會在一直持續下去的膨脹中被撕開,即所謂大撕裂。
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