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宇宙可能的結局
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宇宙膨脹過程是引力與膨脹初速度之爭,誰勝誰負取決于宇宙物質密度。
如果宇宙物質密度£某一臨界密度(根據現有的對膨脹速率的觀測,臨界密度約為 5×10-30 克/厘米3),將沒有足夠的引力阻止膨脹,宇宙膨脹永無止境,這一情形下,我們稱宇宙的膨脹是開放的(開宇宙);如果宇宙物質密度>臨界密度,巨大的引力會使得膨脹最終停止並接下來收縮,在這一情形下稱宇宙的膨脹是封閉的(閉宇宙)。
這看起來就象我們按照牛頓理論發射飛行器一樣,如果給的初速度足夠大,飛行器將擺脫地球的引力成為星際飛船,而如果初速度不夠,飛行器會最終掉下來。但在討論宇宙的膨脹時有一個重要的差異。按照廣以相對論,封閉式膨脹的宇宙在質量上和尺度上必定是有限的(宇宙空間是正曲率的),而開放式膨脹的宇宙在質量上和尺度上必定是無限的(宇宙空間是零曲率或負曲率的)。 因此,討論宇宙可能的演化結局與討論宇宙的有限或無限是完全等價的!
宇宙到底是有限的或無限的?這是個詩人愛遐想,哲學家愛沉思的問題。有些人認為宇宙的無限性是先驗的真理,有限宇宙的觀念不能為常識所接受。持這種觀點者對有限宇宙提出的非議經常是︰"宇宙的邊緣在哪里?""邊緣之外又是什麼?"等等。這是因為他們的困惑來源于錯誤地用平坦空間的觀念來思索一個彎曲的空間。當他們能改正過來,習慣于用彎曲空間的觀念來考察彎曲空間,那麼他們所有莫解的疑問都會自動消失。事實上,宇宙是有限還是無限的實實在在是一個物理問題。有許多可實測的量,能對此作明確的判斷。可惜的是,它們至今被測定得不夠準確。但有理由相信,我們在比詩人和哲學家更可靠地逼近真理。 根據廣義相對論框架下的宇宙膨脹動力學方程,宇宙學家發展了三種判斷有限還是無限也即推斷其演化結局的方法︰
a) 以密度為判據
b) 以膨脹的減速參量為判據
c) 以宇宙年齡為判據
由于目前為止還不能在宇宙的兩種可能結局間作出判斷,我們不妨都看一看︰
a) 開宇宙(可能性比較大些)
隨著恆星不斷從氣體中誕生,氣體越來越少,直至無法再形成新的恆星。
1014年後,恆星全部失去光輝,宇宙變暗,星系核處黑洞不斷變大。
1017-1018年後,只剩下黑洞和一些零星分布的死亡了的恆星。恆星中質子開始變得不穩定。
1024年後,質子開始衰變成光子和各種輕子。
1032年後,衰變過程結束,宇宙中只剩下光子、輕子和大黑洞。
10100年後,黑洞完全蒸發,可稱為世界末日。
b) 閉宇宙
膨脹停止的早晚取決于宇宙物質密度的大小。
假設物質密度是臨界密度的2倍,這膨脹過程經過約500億年後停止,宇宙半徑比現在大一倍。
一旦自引力佔上風,宇宙開始收縮,收縮過程幾乎正好是膨脹過程的反演,1000億年後重新回復到大爆炸發生時的極高密度和極高溫度狀態。且收縮過程越來越塊,最後稱為"大暴縮"。
閉宇宙的結局似乎比開宇宙差得多,但我們不必杞人憂天。
到這里為止,本文開頭提出的三個問題,除了第一個尚需更高精度的觀測外,都可作出較明確的回答︰宇宙沒有中心沒有邊,不管它是有限的還是無限的;宇宙在時間上有一個開端,有沒終結則要看其密度而定。
(上海網上天文台)