新研究称宇宙可能会停止膨胀 1亿年内开始缓慢收缩

一项新的研究表明，宇宙可能会在“短短”1亿年之内开始缩小。这项发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的研究指出，宇宙在经历了近138亿年不间断的膨胀后，可能很快就会停止膨胀，然后开始缓慢收缩。

在这篇新论文中，三位科学家基于过去对宇宙膨胀的观察，试图对暗能量的本质进行建模。暗能量是一种可能导致宇宙加速膨胀的神秘力量。在该团队的模型中，暗能量不是一种持续的自然力，而是一种被称为“第五元素”(quintessence)的假设形式，可以随着时间的推移而衰减。

研究人员发现，尽管宇宙的加速膨胀已经持续了数十亿年，但暗能量的排斥力可能正在减弱。根据他们的模型，宇宙的加速膨胀可能在接下来的6500万年里迅速终结，然后在1亿年内，宇宙可能完全停止扩张。届时，宇宙可能会进入一段缓慢收缩的时期，并在数十亿年后迎来时间和空间的“死亡”——或者“重生”。

这项研究的作者之一、美国普林斯顿大学普林斯顿理论科学中心主任保罗·斯坦哈特表示，这一切可能会“非常迅速”地发生。“回到6500万年前，那是希克苏鲁伯小行星撞击地球，恐龙灭绝的时候，”斯坦哈特说，“在宇宙尺度上，6500万年是非常短的。”

加拿大不列颠哥伦比亚大学的物理学和天文学教授加里·欣肖没有参与这项研究，但他表示，这个理论并不存在太多争议或不可信的地方。然而，由于该模型仅依赖于过去对宇宙膨胀的观察，加上科学家对宇宙中暗能量的性质仍缺乏了解，因此这篇论文中的预测目前还无法验证，只能停留在理论层面。

虚空中的能量

自20世纪90年代以来，研究人员已经了解到宇宙膨胀正在加速;相比数十亿年前，星系之间的正在以更快的速度扩大。科学家将导致这种加速膨胀的神秘力量命名为暗能量——一种似乎与引力相反的无形实体，可以将宇宙中最大的物体彼此推得更远，而不是将它们拉到一起。

尽管暗能量约占宇宙总质能的70%，但其性质仍然是一个谜。阿尔伯特·爱因斯坦提出的广义相对论认为，暗能量其实是一个宇宙学常数，是一种编织在时空结构中、永恒不变的能量形式。如果是这样的话，暗能量施加的力就永远不会改变，宇宙的膨胀就应该会永远持续下去(并一直加速)。

然而，另一个与广义相对论竞争的理论认为，暗能量不一定是恒定的，才能符合以往对宇宙膨胀的观测结果。相反，暗能量可能是所谓的“第五元素”，即一种随时间变化的动态场。1998年，有三位科学家在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表了一篇关于这一概念的论文，斯坦哈特就是其中之一。

与宇宙常数不同，“第五元素”既可以是排斥的，也可以是吸引的，这取决于其在特定时间的动能和势能的比例。在过去的140亿年里，“第五元素”是排斥性的。斯坦哈特表示，在140亿年的大部分时间里，“第五元素”与辐射和物质相比，对宇宙膨胀的贡献并不大。这种情况在大约50亿年前发生了改变，当时“第五元素”成为了宇宙的重要组成部分，其引力排斥效应导致宇宙加速膨胀。

“我们在这篇论文中提出的问题是：这种加速必须永远持续下去吗?”斯坦哈特说，“如果不是，有什么其他可能，情况会多快发生变化?”

暗能量的“死亡”

在研究中，斯坦哈特和两位同行——纽约大学的安娜·伊尧什和普林斯顿大学的科斯明·安德烈——预测了“第五元素”的属性在未来几十亿年里会如何变化。为了做到这一点，该团队创建了一个“第五元素”的物理模型，展示了其随时间推移而表现出来的排斥和吸引作用，以符合过往对宇宙膨胀的观测结果。如果这一模型能够可靠地再现宇宙的膨胀历史，他们就可以将预测结果扩展到未来。

“让人惊讶的是，他们模型中的暗能量可以随着时间推移而衰减，”欣肖说，“暗能量的力量会减弱。如果确实如此的话，那么最终暗能量的反引力特性会消失，它会转变回更像普通物质的东西。”

根据该团队的模型，暗能量的排斥力可能在数十亿年前就开始快速衰减。在这种情况下，如今宇宙的加速膨胀已经放缓了。很快，也许在大约6500万年之内，这种加速可能就会完全停止;然后，从现在开始，在不到1亿年的时间里，暗能量就会转变为具有引力作用，导致整个宇宙开始收缩。换句话说，在经历了近140亿年的膨胀之后，宇宙空间可能会开始收缩。

“这将是一种非常特殊的收缩，我们可以称之为缓慢收缩，”斯坦哈特说，“空间不再扩张，而是以非常缓慢的速度收缩。”

斯坦哈特表示，起初宇宙收缩的速度会非常缓慢，以至于地球上的人类(如果到时还存在的话)都不会注意到任何变化。根据该团队的模型，宇宙需要几十亿年的缓慢收缩，才能达到今天的一半大小。