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宇宙是無限膨脹,還是膨脹收縮循環,還是無始無終?

2017-09-19 由 宇宙解碼 發表于科學

「宇宙」一詞,最早出自《莊子》這本書,「宇」代指的是一切的空間,包括東、南、西、北等一切地點,是無邊無際的;「宙」代指的是一切的時間,包括過去、現在等,是無始無終的。

一般認為,宇宙產生於160億年前一次大爆炸中。大爆炸後30億年,最初的物質漣漪出現。大爆炸後20億~30億年,類星體逐漸形成。大爆炸後100億年,太陽誕生。38億年前地球上的生命開始逐漸演化。



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,我們的太陽就是這無數恆星中的一顆。原本人們想像宇宙會因引力而不再膨脹,但是,科學家已發現宇宙中有一種 「暗能量」會產生一種斥力而加速宇宙的膨脹。


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。如果宇宙中物質的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」;要是物質的平均密度大於臨界密度,膨脹過程遲早會停下來,並隨之出現收縮,稱為「閉宇宙」。



問題似乎變得很簡單,但實則不然。理論計算得出的臨界密度為5×8^-30克/厘米3。但要測定宇宙中物質平均密度就不那麼容易了。星系間存在廣袤的星系間空間,如果把目前所觀測到的全部發光物質的質量平攤到整個宇宙空間,那麼,平均密度就只有2×10^-31克/厘米3,遠遠低於上述臨界密度。


然而,種種證據表明,宇宙中還存在着尚未觀測到的所謂的暗物質,其數量可能遠超過可見物質,這給平均密度的測定帶來了很大的不確定因素。因此,宇宙的平均密度是否真的小於臨界密度仍是一個有爭議的問題。不過,就目前來看,開宇宙的可能性大一些。

恆星演化到晚期,會把一部分物質(氣體)拋入星際空間,而這些氣體又可用來形成下一代恆星。這一過程中氣體可能越來越少(並未確定這種過程會減少這種氣體。)。以致於不能再產生新的恆星。10^14年後,所有恆星都會失去光輝,宇宙也就變暗。同時,恆星還會因相互作用不斷從星系逸出,星系則因損失能量而收縮,結果使中心部分生成黑洞,並通過吞食經過其附近的恆星而長大。(根據質能守恆定律,形成恆星的氣體並不會減少而是轉換成其他形態。所以新的恆星可能會一直產生.)




10^17~10^18年後,對於一個星系來說只剩下黑洞和一些零星分佈的死亡了的恆星,這時,組成恆星的質子不再穩定。10^32年後,質子開始衰變為光子和各種輕子。10^71年後,這個衰變過程進行完畢,宇宙中只剩下光子、輕子和一些巨大的黑洞。


10^108年後,通過蒸發作用,有能量的粒子會從巨大的黑洞中逃逸出。宇宙將歸於一片黑暗。這也許就是開宇宙「末日」到來時的景象,但它仍然在不斷地、緩慢地膨脹着。(但質子是否會衰變還未得到結論,因此根據質能守恆定律。宇宙中的質能會不停的轉換。)



閉宇宙的結局又會怎樣呢?閉宇宙中,膨脹過程結束時間的早晚取決於宇宙平均密度的大小。如果假設平均密度是臨界密度的2倍,那麼根據一種簡單的理論模型,經過400~500億年後,當宇宙半徑擴大到目前的2倍左右時,引力開始佔上風,膨脹即告停止,而接下來宇宙便開始收縮。


以後的情況差不多就像一部宇宙影片放映結束後再倒放一樣,大爆炸後宇宙中所發生的一切重大變化將會反演。收縮幾百億年後,宇宙的平均密度又大致回到目前的狀態,不過,原來星系遠離地球的退行運動將代之以向地球接近的運動。再過幾十億年,宇宙背景輻射會上升到400開,並繼續上升,於是,宇宙變得非常熾熱而又稠密。 在坍縮過程中,星系會彼此併合,恆星間碰撞頻繁。



這些結局也只是假想推論的。

近幾年來,一批西方的天文學家發表了關於「宇宙無始無終」的新論斷。他們認為,宇宙既沒有「誕生」之日,也沒有終結之時,而就是在一次又一次的大爆炸中進行運動,循環往復,以至無窮的。 至於「宇宙無始無終」的新論是否正確,科學家認為,過幾年國際天文學界可望對此做出驗證。
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