宇宙塌缩

物理宇宙学名词

宇宙塌缩是物理学家提出的一种机制，预测宇宙很快就将停止膨胀，开始塌缩，同时所知的一切物质也将因此消失。科学家的计算表明，宇宙的塌缩“即将来临”——在宇宙尺度上，约为百亿年之后。

定义

宇宙塌缩是一个解释宇宙如何灭亡的过程，是由宇宙暴胀延伸而来的。其引用宇宙暴胀认为，宇宙是从一团炽热的火球膨胀而成的，并到目前为止都还在膨胀；但若产生够大的重力就会使宇宙停止膨胀以至收缩，回复到宇宙刚诞生时的炽热状态。

研究理论

在过去100年里，从阿尔伯特·爱因斯坦到斯蒂芬·霍金的大多数科学家，一直都认为宇宙最后将停止膨胀，并由于星系重心吸引力作用向内部坍缩。

爱因斯坦“最大的错误”原来正确宇宙的命运曾经困扰过人类历史上最伟大的科学头脑。1917年，为了使自己的广义相对论的等式成立，爱因斯坦曾设想宇宙中有一种未知的能量存在，他将其称之为“宇宙常数”，爱因斯坦认为这种名叫 “宇宙常数”的能量能抵消星系引力的作用，使宇宙保持一个不变的大小。然而，当后来天文学家通过哈勃望远镜发现宇宙正在不断向外膨胀的天文学证据后，爱因斯坦不得不放弃了他的观点，认为“宇宙常数”是他科学观点中一个最大的错误。不过，NASA的新发现将显示，爱因斯坦提出的“宇宙常数”观点完全正确，尽管爱因斯坦认为“宇宙常数”存在的理由是错误的。

在1998年创下全球天文数字销售量的科学书籍《时间简史》中，剑桥大学物理学家斯蒂芬·霍金断定宇宙最终将结束膨胀，并向内部坍塌毁灭。霍金教授的观点早在1997年就遭到不少科学家的挑战和质疑。NASA的研究数据将彻底结束人类宇宙史上这个最具悬疑的大争论。霍金教授对NASA的发现他并不感到气馁，他称自己仍将继续坚持自己的理论，并认为他的理论和NASA的发现完全可以兼容。

宇宙塌缩机制建立在物理学家之前有关真空能量问题的研究基础之上，而真空能量密度本来就是为了解决宇宙常数问题。真空能量的封存动态预测了宇宙最终将塌缩，但并未提供塌缩如何发生的确切机制。

根据新提出的机制，宇宙是在一系列特殊的起始条件下起源的，它自然演化到如今的加速状态，并将继续这一过程，直到塌缩。宇宙经历了一段“慢滚”（slow roll）时期，进入我们所看到的加速膨胀状态，但它最终将停止膨胀并到达一个转折点，然后开始收缩，最终形成与大爆炸相对的“大挤压”（big crunch）。

宇宙的年龄大约是138亿年。如果要使新提出的塌缩机制合理运作的话，加速膨胀的时间必须至少持续至今（当然，一个预测宇宙已经塌缩的机制明显不对）。在科学家的方程中，一个斜率值的选择将对塌缩时间的估计产生巨大的影响。这个斜率具有非常小的正值，大约为10-39，这意味着宇宙演化的速度非常缓慢。

科学家并不是为了符合所观测到的膨胀速度，或者为了支持他们提出的机制而选择斜率的值。相反，科学家解释称这一斜率值是“技术上很自然的”，并且是由于理论中的对称性才取的这个值。根据科学家的解释，该机制的自然属性使其成为第一个在没有任何直接微调情况下预测了膨胀加速的模型。在该机制中，斜率的值就控制了宇宙的演化，包括其加速膨胀的程度。

宇宙的加速膨胀或许正是塌缩即将到来的证据……通过详细的分析，对这些预测进行量化无疑是必要的。

研究历史

这一理论尚处于早期阶段，物理学家希望在未来获得更加充实的依据。科学家正致力于以一种更加‘接地气’的方式来描述这一理论，使它更加符合传统理论，与量子理论的一些关键原则（如态叠加原理）更加契合。

科学家将针对这一理论设计更多的检验方法，包括宇宙学和天体物理学等方面。在更长的时期内，科学家希望能了解这一理论与一些更加基础的理论，如弦理论之间的关联。当考虑到量子引力对真空能量的修正时，了解其中发生了什么也很重要。科学家还需要进行更多的工作。

早前，从没有人认真地考虑过在100～200亿年内，可能会出现‘世界末日’。尤其是自从人们知道了宇宙正在加速扩张之后。”斯坦福大学的安德雷.林德说，“但我们明白‘世界末日’可能真的存在。”

1998年，研究远距离超新星的天文学家们找到了宇宙扩张正在加快的证据。据此，他们提出某些“暗能量”正在推动空间分离。大多数暗能量的理论，都是假设宇宙的加速扩张，源于宇宙横向排斥的“标量场”，它恰好等距离穿越过空间。而一种类似的能量场则被认为已经使宇宙在大爆炸之后不可思议地迅速膨胀，这就是著名的膨胀理论。2002年8月，林德因他在发展此理论上所做出的贡献而获得迪拉克奖。

科学家们假设，能量场的排斥作用在促使宇宙成长的同时自身不断下降，最终变为零。尽管这将减慢宇宙的扩张速率，但宇宙事实上永远不会停止扩张。不过林德说这个假设可能是错误的。

林德和他的同事根据一些超重力理论，试图在量子理论范围内描述重力作用。他们声明，来自标量场的暗能量将不仅仅是简单地归于零――它将变为负的，甚至可能远及负无穷大。这将减慢宇宙的扩张的速率，并在一定时候，使宇宙反转，导致时空在反向的大吞噬中坍塌，最终成为一个点。据林德和他的同事计算，宇宙开始坍塌的标准时间将是100～200亿年之内。而宇宙当前的年龄大约是140亿岁。“这真是个巨大的震撼，”林德说，“我们可能正处在宇宙生命周期的中间段，而并非开始。”

英格兰皇室天文学家，剑桥大学的马丁·瑞斯，一直坚持开放思维。他同意未来宇宙存在坍塌的可能性。“既然我们对暗能量是什么毫无所知，这样的构想便不能被排除掉，”他说，“超出常规的预测都是极富思索性的。”

在坍塌和无限扩张的可能性之间，我们似乎远比平常更能深切地预言宇宙的命运。但是林德说经对超新星的观测，大爆炸的剩余放射物和星系分布，应该能够帮助解决停滞不前的暗能量和物质在过去不同时期的密度问题。“预测未来，从来就是不容易的，但是它是可能的，而且我们不应该错过属于我们的机会，”林德说，“我们可能改变不了我们的命运，但是我们的确想了解它。”

研究成果

加州大学戴维斯分校的物理学家Nemanja Kaloper和诺丁汉大学的Antonio Padilla提出了宇宙塌缩的机制，并分析了其背后暗含的意义，包括对暗能量的解释等。

已经探测到暗能量的事实可以作为宇宙塌缩即将来临的指示之一，天文学家正尝试对数据进行分析，演算出最终的日期，早前的结果表明，宇宙塌缩将在数百亿年内发生，但需要进行更准确的验证。”

“‘技术上自然’的斜率值控制了塌缩启动开始占据主导地位的时间，但它是否保证了慢滚时期的出现，以及随之而来的加速膨胀。真空能量封存的动态保证了慢滚时期的存在。”

产生影响

这一塌缩机制将帮助解决一些未解的物理学难题，尤其是宇宙为什么在加速膨胀，以及暗能量如何影响这种加速。这些问题与宇宙常数问题有关，即引起宇宙膨胀的真空密度预测值比实际观测到的高很多。

天文物理学家已经开辟了一条通往所谓“所有物理学问题之母”——即宇宙常数问题——的全新途径，塌缩机制能否经得起时间考验还为时过早，但它已经受到了许多关注，并有可能解决标准模型提出的真空能量贡献问题，以及这些能量如何受引力作用的问题。”

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