宇宙的尽头是什么？三种情况，指向了相同的结果！

宇宙会如何终结？数千年来人类一直在思考这个问题，无论是从哲学层面去探寻未来的可能性，还是利用数学的方式在公式中寻找答案，但至今仍没有最终的解决答案。今天我们所认识了解的主流宇宙模型来自于大爆炸理论，大部分的天文学研究都是建立在此模型上。

美丽的宇宙

近年来科学家认为，宇宙也许会以一种热寂的方式完成自己的终结。不过，这样的假设不是宇宙结局中的最终选择，仍然还有其他两种情况的可能性并指向同一结果。热寂结局是怎样的？宇宙将在未来发生怎样的变化？为何它会有多种结局？

宇宙暴胀

本文接下来将会从今天的天文学研究中向大家解答这些问题，宇宙的尽头是什么？这三种情况是如何指向同一个结果的？

宇宙究竟是什么样子？

在近代物理发展之前，人们对于宇宙的了解仅限于肉眼的观察上，许多研究最终都会寻求一种调和。而这种调和多是以哲学层面或者宗教层面去完成，事件本质和真相很难通过简单的科学手段完成观察。

星系的种类

不过进入18世纪后期，随着电磁力学的发展，传统物理研究受到了限制和阻碍，科学家发现宇宙中的不少问题很难再以经典物理上去解释，必须要有一个新的解决方案。

1921年，爱因斯坦荣获诺贝尔物理学奖之后的官方肖像

可以说爱因斯坦的出现打破了这一僵局，他在1915年的学术研究讨论大会上发表了自己关于电磁力学的看法，同时拿出了自己的广义相对论。这使得科学家重新有了可行的方式去探讨宇宙运动，甚至寻求宇宙最终的命运。广义相对论方程存在的几种可能的解，每一种解都暗示着宇宙可能出现的终极命运。

黑洞附近的结构示意图

在广义相对论的预测下，任何物体坍缩超过某个点就会形成一个黑洞，而这个黑洞内部便会出现一个奇点，后来的研究证明，奇点的本质是大爆炸。

整个研究过程非常曲折，就连爱因斯坦本人也一样。即便在相对论发表后，亚历山大·弗里德曼在此后的研究中提出了包含运动物质的膨胀宇宙概念，并且还与爱因斯坦有过交流。但爱因斯坦不愿意相信这个结果，而是去努力地修改自己的方程，以确保牛顿时代人们所相信的静态永恒宇宙。

勒梅特与爱因斯坦

早在哈勃的研究发现以前，乔治·勒梅特就对爱因斯坦的广义相对论进行着大量的计算研究。勒梅特在研究后认为，宇宙是正在膨胀的。由于他的研究报告发表在当地，几乎没有比利时以外的天文学家关注，所以该相关研究在当时并没有引起大多数人的注意。

宇宙持续不停地膨胀，现更加速膨胀

在爱因斯坦看来，勒梅特的研究计算并没有什么问题，但他拒绝宇宙膨胀的假说。直到勒梅特与爱因斯坦在索尔维会议上的第四次交流，这一次勒梅特在会议上详细地阐述了宇宙的变化，并指出宇宙射线可能是最初“爆炸”留下来的痕迹，爱因斯坦这才真正的接受了大爆炸假说。

地球周边的宇宙射线

后来爱因斯坦才坦言到，自己曾经为了寻求牛顿时代静态宇宙的广义相对论方程的解，所添加的宇宙常数是他一生中所犯的最大的错误。

随着后来物理研究的深入，天文学也在不断地进行更新，宇宙模型的建设也越来越接近我们今天所熟知的样子。

宇宙大爆炸模型

新研究，新发现

今天我们了解到的宇宙基本上是广义相对论研究下的结果，宇宙的膨胀不像日常生活中看到的那样是直观的爆炸或者膨胀。这个概念必须抽象地去理解，它是宇宙的一个属性，发生在整个宇宙中，而不是宇宙的一部分。因此人们也无法从内部观察到膨胀的具体过程，同时科学家相信也没有所谓的外部可以进行观察。

想象中的宇宙大爆炸

弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克方程的度量膨胀建模是广义相对论的精确解，它描述了一个同质的、各向同性的、膨胀的宇宙。科学家们这才利用该方程完成了大尺度空间上的宇宙模型建设。

根据后来的暴胀理论，宇宙在大爆炸之后的一瞬间，突然开始膨胀，其距离至少膨胀了10倍的三个维度。这相当于把长度为1纳米的物体瞬间扩大至10.6光年长，在此后的时间里，这种扩张仍在继续，并且还在不断加速。

宇宙组成成分

但是科学家并不知道这种膨胀究竟是如何持续下去的，因此在后来的研究中，天文学家引入了暗能量的概念。目前的科学界认为，宇宙的最终命运取决于它的整体形状，以及它所包含的暗能量多少、暗能量密度如何响应宇宙膨胀状态。

最近的研究显示，从大爆炸后75亿年开始，宇宙的膨胀速率可能一直在增加，这与开放宇宙理论相符合。不过，威尔金森微波各向异性探测器的测量表明，宇宙的形态不止一种。

暗能量让宇宙加速膨胀

“多元宇宙”的结局

先来看看开放宇宙，这种形态下的宇宙空间几何形状是开放的，就像马鞍表面那样负弯曲，三角形的内角和小于180°。并且不相交的线永远不等距，它们有一个距离最小的点，否则便会分开，这种宇宙的几何形状是双曲线的。

开放宇宙即便没有暗能量，负弯曲形态下的宇宙也会永远膨胀，引力对膨胀的制约作用可以忽略不计。如果有暗能量的存在，膨胀不仅会继续，而且还会加速。这种状态下的宇宙，它所面临的终极命运要么是普遍的热寂或是大冻结。

宇宙的三种可能的几何形状

如何去理解大冻结和热寂呢？我们可以先来看看热寂，这其实是一种热力学定律下的终结，宇宙进入了最大熵的状态。一切都是均匀的，没有梯度，所有一切运动都停止，宇宙最终的温度达到了最小值。

而大冻结是宇宙在持续膨胀中渐渐地接近绝对零度的情景，宇宙中的所有天体都会因燃料耗尽，包括黑洞的蒸发，随着时间的推移，霍金辐射也会消失。

霍金辐射

由暗能量引起的加速度最终会变得异常强大，以至于它完全压制了引力、电磁力和强结合力的影响。开放宇宙还可能出现大撕裂，当前的哈勃常数定义了一个宇宙加速度，星系之间的重力结合会因这种宇宙加速度变化增加它们之间的空间。

哈勃常数将会稳步增加到无穷大，最终导致宇宙中的所有物质都被分解成未结合的基本粒子、辐射，然后宇宙成为一个有效的奇点。

宇宙是由一个奇点膨胀到现在的状态

如果宇宙常数为负的话，对应于负的能量密度和正压，那么宇宙的终极命运就会导致开放的宇宙重新坍缩到“大紧缩”状态，也就是“封闭宇宙”。

在封闭宇宙中，空间的几何形状会像球面一样是完全封闭的。三角形的内角和超过180°而且没有平行线，所有的线条最终都会相遇。

浩瀚的宇宙

该宇宙所要面对终极命运是大紧缩，这种结局和最初的大爆炸完全相反。该理论假设下，宇宙的平均密度会阻止宇宙的膨胀，具体结果未知。科学家假设了一个简单的可能性，那就是在这最后，宇宙会坍缩为一个无量纲的奇点，回到最终的尺度。

这种情况允许宇宙回到大爆炸之前，并会创建一个循环模型，这个模型也被称作“震荡宇宙”。该循环模型下的宇宙可以由无限序列的有限宇宙组成，每个有限宇宙都以大紧缩结束。

熵增

但问题是这样的宇宙不符合热力学第二定律，因为熵的积累会在一个又一个震荡中积累，最终宇宙将走向热寂。由于目前并没有科学证据证明宇宙是封闭的，因此科学家基本上放弃了这个想法。

最后是平面宇宙，这也是当前宇宙模型中最令人接受和信服的一个宇宙，不少科学家都认为宇宙是“平坦”的，但不要从一般意义上的“平坦”去做理解，该“平坦”被解释为平行线保持平行。

绚丽的宇宙

如果宇宙的平均密度正好等于临界密度，即Ω=1，那么就会出现平坦宇宙。这就像欧几里得几何一样，三角形内角和为180°，平行线连续保持相同的距离。根据威尔金森微波各向异性探测得到的测量结果证实，宇宙在0.4%的误差范围内是平坦的。

暗能量

如果没有暗能量的影响，平坦的宇宙会永远地膨胀下去，但会在不断减速的速度下膨胀，最后膨胀速度趋近于零。如果有暗能量的作用，宇宙膨胀速度会因引力的作用出现减慢，但随着膨胀中的引力作用减弱，最终速度增加。平坦宇宙的终极命运最终会与开放宇宙的结局相同。

宇宙膨胀想象图

所以综合上述所有存在的可能，我们可以看到，这三种情况最终都证明宇宙会消亡。尽管消亡的方式各有不同，并且有可能会出现反转，但无一例外都会彻底消失或是完全停止。

神奇的宇宙

虽然天文学的研究在不断地发展，但是我们仍然对宇宙知之甚少， 也许在未来这些结果都可能会被改变。尽管这些结局看起来都很悲观，对于人类来讲，我们可以去追寻宇宙中的任何一种可能，然后去试着改变自身的存在。#金猫榜

关键词： 爱因斯坦 广义相对论 开放宇宙

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