宇宙的終極命運會怎樣

文/陳 云

作為智慧生命，宇宙的起源和終極命運是人類一直關心的大命題。關于宇宙的起源，當前獲得學術界廣泛認可的是“宇宙大爆炸理論”，該理論認為宇宙誕生于約137億年前的大爆炸，也就是說宇宙是由極度高溫高密的奇點爆炸后形成的。然而，關于宇宙的終極命運，卻有多種理論假說，主要包括“大撕裂”“大凍結”和“大坍縮”。

我們都是好奇寶寶，想要知道萬事萬物源于何方，又將終于何處。

主宰宇宙終極命運的兩大關鍵因素：宇宙的幾何結構和暗能量的屬性

為了弄清宇宙的最終命運究竟會如何，研究者首先需要厘清主宰它的主要因素有哪些。從目前的研究來看，宇宙的幾何結構（或者說宇宙的空間曲率）和暗能量的屬性是決定宇宙最終歸宿的兩大主因。

宇宙的幾何結構包括閉合、平直和開放三種可能性，分別對應著空間曲率大于、等于和小于零，這三種情形可分別類比于二維的球面、平面和馬鞍面。

自1998年科學家通過天文觀測發現宇宙加速膨脹以來，有一大批的理論方案被陸續提出，并用于解釋這一現象，而其中最主流的觀點認為宇宙中均勻彌漫著一種“負壓”組分，它所產生的“負引力”或稱“斥力”克服了物質（包括普通物質和暗物質）所產生的引力，從而驅使宇宙加速膨脹，這種未知的力量被稱為“暗能量”。

暗能量的性質通常用它的狀態方程（就是壓強與密度之比）來刻畫。不同的模型下暗能量的狀態方程不同。有些模型下暗能量的狀態方程是不隨時間變化的常數，而這個常數可能等于-1，也可能大于或小于-1。還有些模型下暗能量狀態方程是隨時間變化的，就是說狀態方程可能由大于-1隨時間演變為小于-1，也有可能由小于-1變為大于-1。暗能量狀態方程等于-1時它的密度是不隨時間演化的常數，大于-1時密度會隨著時間的增加而減小，而小于-1時密度會隨著時間的增加而增大。

大撕裂：宇宙中的所有物質最終將瓦解為不受束縛的基本粒子和輻射

“大撕裂”假說認為如果暗能量的密度隨著時間增加而增加，不管宇宙的空間結構是閉合、平直還是開放的，隨著宇宙的不斷膨脹所有物質（甚至時空本身）最終都會被逐漸撕碎。如果暗能量是狀態方程小于-1的“幽靈暗能量”，那么它的密度隨著時間的推移而不斷增加，從而導致宇宙膨脹的速度越來越快，最終就會使得宇宙中的所有物質都瓦解為不受束縛的基本粒子和輻射。

大凍結：宇宙溫度最終將趨于絕對零度

“大凍結”也被稱為“熱寂”。這種假說認為隨著宇宙的膨脹，氣體作為恒星形成所必需的材料，變得越來越稀薄，最終會不足以支撐新的恒星形成。隨著恒星形成的停止，宇宙溫度越來越低，并最終演化到一種沒有熱力學自由能的狀態，也就是達到熱力學平衡（即具有最大熵），同時宇宙溫度也將趨近（但并未達到）絕對零度（零下273.15攝氏度），從而任何宏觀物理過程和生命都不復存在。

看到“大凍結”這個詞，筆者腦海中立馬浮現出的是動畫電影《冰川時代》中的景象。不過“大凍結”時期的溫度可要遠遠低于“冰川時代”的。在暗能量狀態方程等于-1的情況下，“大凍結”不僅在平直和開放的宇宙空間結構下可能發生，甚至在閉合的宇宙中也有可能發生。在平直或開放的宇宙中，無論暗能量的狀態方程等于何值，“大凍結”的結局都是可能出現的。

大坍縮：物質的引力作用使得宇宙最終停止膨脹并發生坍縮

“大坍縮”假說認為由于物質的引力作用宇宙的膨脹速度會不斷變慢，從而終將停止膨脹并發生坍縮。然而在坍縮之后又將發生什么尚不能確定。其中一種可能性就是宇宙坍縮到它的初始狀態并再次發生大爆炸，從而使得宇宙處于“大爆炸”到“大坍縮”再到“大爆炸”這樣一種循環的狀態。從目前的宇宙學觀測來看，產生負壓的暗能量肯定存在，而且它的密度高于物質的，因此宇宙的膨脹不會停止，“大坍縮”是不太可能發生的。

普朗克衛星觀測所支持的閉合空間，意味著宇宙將擁有怎樣的終極命運？

歐洲普朗克衛星于近期所發布的觀測結果，在約3倍標準差的置信度上支持空間閉合的宇宙，然而由于暗能量的本質屬性尚且不知，因此宇宙未來的命運可能是“大撕裂”，也可能是“大凍結”，同時也有可能是先發生“大凍結”再進入“大撕裂”。