宇宙可能比之前認(rèn)為的“短命”得多，其壽命或只有330億年

在發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹這個(gè)現(xiàn)象之后，人們?cè)?jīng)普遍認(rèn)為，在引力的作用下，宇宙的膨脹會(huì)逐漸變慢，然而后來(lái)科學(xué)家卻驚訝地發(fā)現(xiàn)，宇宙的膨脹并沒(méi)有因?yàn)槲镔|(zhì)之間的引力而減速，反而是在加速。

為了解釋這種反直覺(jué)的現(xiàn)象，科學(xué)家引入了“暗能量”的概念，并在此基礎(chǔ)上建立了目前主流的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型（ΛCDM），在這個(gè)模型中，暗能量是一種驅(qū)動(dòng)宇宙膨脹的能量，其密度是恒定的，隨著空間的擴(kuò)張，總的暗能量會(huì)隨之增加，從而持續(xù)不斷地推動(dòng)宇宙的膨脹。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，科學(xué)家推測(cè)出了宇宙的一種終結(jié)方式——“大凍結(jié)”（Big Freeze）。

其內(nèi)容簡(jiǎn)單來(lái)講就是，隨著時(shí)間的推移，宇宙中的物質(zhì)將因?yàn)橛钪媾蛎涀兊迷絹?lái)越稀薄，溫度也越來(lái)越低，最終會(huì)演化到?jīng)]有熱力學(xué)自由能，達(dá)到最大熵的狀態(tài)，從而成為一片溫度無(wú)限接近絕對(duì)零度的死寂虛空。

從理論上來(lái)計(jì)算，“大凍結(jié)”會(huì)發(fā)生在非常遙遠(yuǎn)的未來(lái)，大概還需要10^100年的時(shí)間，而這也就意味著，宇宙應(yīng)該是非常“長(zhǎng)壽”的。

然而一項(xiàng)來(lái)自康奈爾大學(xué)的研究卻對(duì)此提出了不同的看法，該研究認(rèn)為，宇宙可能比之前認(rèn)為的“短命”得多，其壽命或只有330億年。這又是怎么回事呢？我們接著看。

首先我們需要簡(jiǎn)單了解一下暗能量巡天（DES）和暗能量光譜儀（DESI），總的來(lái)講，它們是科學(xué)家為了探索宇宙加速膨脹之謎而發(fā)起的兩場(chǎng)大規(guī)模的深空觀測(cè)項(xiàng)目，其在技術(shù)手段和觀測(cè)維度上各有側(cè)重。

其中暗能量巡天主要依賴的是強(qiáng)大的成像技術(shù)，其主要工作模式類似于為宇宙拍攝“平面快照”，通過(guò)捕捉大量遙遠(yuǎn)星系的形狀、位置和亮度，利用弱引力透鏡效應(yīng)、星系團(tuán)計(jì)數(shù)以及Ia型超新星等手段來(lái)推測(cè)暗能量的演化。

而暗能量光譜儀，則是通過(guò)分析星系光譜中的紅移來(lái)測(cè)量遙遠(yuǎn)星系在宇宙三維空間中的準(zhǔn)確距離。

在過(guò)去的日子里，這兩個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)積累了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行綜合分析，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，那就是暗能量在過(guò)去可能比現(xiàn)在更強(qiáng)大，而它的影響力似乎正處于一種隨時(shí)間流逝而逐漸減弱的狀態(tài)。

對(duì)于這種現(xiàn)象，此次研究用了一種被稱為“軸子暗能量”（Axion dark energy）的理論模型進(jìn)行了解釋。

具體來(lái)講，軸子最初是為了解決強(qiáng)相互作用中的電荷共軛及宇稱守恒問(wèn)題而提出的一種粒子，后來(lái)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在宇宙學(xué)尺度上，這些粒子會(huì)表現(xiàn)出極其微小的質(zhì)量和近乎無(wú)限的相干長(zhǎng)度，它們并不會(huì)像普通物質(zhì)那樣聚集成團(tuán)，而是會(huì)形成一種彌漫在整個(gè)宇宙背景中的“軸子場(chǎng)”。

這種場(chǎng)具有一種特殊的勢(shì)能，能夠產(chǎn)生一種向外的負(fù)壓力，而這種力量就是所謂的暗能量，它在過(guò)去的日子里一直在推動(dòng)著宇宙的加速膨脹。

然而隨著宇宙空間的不斷擴(kuò)張，軸子場(chǎng)在空間中的排布也會(huì)變得越來(lái)越稀疏，其場(chǎng)能也隨之損耗，于是在我們看來(lái)，暗能量就會(huì)處于一種隨時(shí)間流逝而逐漸減弱的狀態(tài)。

可以看到，這個(gè)理論模型合理地解釋了我們觀測(cè)到的現(xiàn)象，而這也動(dòng)搖了“大凍結(jié)”的基礎(chǔ)，因?yàn)殡S著暗能量的持續(xù)減弱，終有一天，它就會(huì)敗給引力，而這樣的情況一旦發(fā)生，宇宙的狀態(tài)就會(huì)從膨脹轉(zhuǎn)變成收縮，并最終走向另一種結(jié)局——“大擠壓”（Big Crunch）。

根據(jù)此次研究的計(jì)算，宇宙的整體壽命只有大約330億年，在未來(lái)的日子里，宇宙的膨脹將會(huì)越來(lái)越慢，并于大約100億年后完全停止，在接下來(lái)的時(shí)間里，宇宙就會(huì)正式進(jìn)入收縮期。

對(duì)于那時(shí)的觀測(cè)者（如果存在的話）來(lái)說(shuō)，宇宙將發(fā)生翻天覆地的變化，所有的遙遠(yuǎn)星系不再表現(xiàn)為紅移，而是呈現(xiàn)出藍(lán)移（因?yàn)樗鼈冋栽絹?lái)越快的速度向觀測(cè)者接近）。

而這個(gè)收縮過(guò)程也是一個(gè)加速升溫的過(guò)程，隨著物質(zhì)密度增加，宇宙微波背景輻射的波長(zhǎng)也會(huì)被不斷壓縮，能量飆升，星系間的距離不斷縮短，天體的碰撞與合并將變得越來(lái)越頻繁。

在最后的坍縮階段，宇宙空間的每一寸都會(huì)充斥著高能輻射，物質(zhì)也將被壓縮成基本粒子，最終，所有的質(zhì)量和能量將被壓縮到一個(gè)密度極大，溫度極高的奇點(diǎn)狀態(tài)——這與宇宙大爆炸完美對(duì)稱，可視為本宇宙的終結(jié)。

當(dāng)然了，這也只能說(shuō)是一種建立在對(duì)現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)推演之上的合理推測(cè)，實(shí)際情況是否如此，還有待進(jìn)一步的探索。可以想象的是，如果關(guān)于“大擠壓”的推測(cè)是正確的，那么本宇宙的終結(jié)或許就將會(huì)孕育著下一場(chǎng)宇宙大爆炸，成為另一個(gè)宇宙的起點(diǎn)。

參考資料：The Lifespan of our Universe，doi.org/10.48550/arXiv.2506.24011