難道說暗能量真是宇宙最黑暗的東西?
上期我在暗能量到底是什麼能量?結尾處賣了個關子,留下一連串問題——
- 既然人類無法探測暗能量,你又是怎麼知道它的密度、比重、分布等相關數據的?
- 身為宇宙絕對莊家的暗能量,會對我們人類命運產生什麼影響?
- 未來會膨脹到撕裂地球、地球人的地步嗎?
本期保證回答乾淨,不留尾巴。
先說說暗能量、暗物質的數據,都是怎麼得到的?
首先保證不是我生造的,更不是科學家生造的,而是通過一整套解決方案科學得出的。事實上,這個過程相當複雜,涉及領域也很多,動用了很多物理理論、數學模型、計算技術、工程設計……
因為要對付的都是最純粹的暗貨——看不見、測不到的暗物質、暗能量!但辦法總是有的,這正好顯示出科學家的價值嘛!總之,科學家們動用了很多手段,才得到的科學數據。
為了瞧瞧科學家到底是怎麼解決這個最棘手問題的,下面我就把這個複雜過程簡化成幾個步驟,梳理成一張思維導圖——
除了這些步驟,我需要說明的是,
普通物質的數據最容易得到,直接間接方法總歸都能搞定;
暗物質的數據就難了,只能通過間接手段搞到;暗能量的數據最難了,甚至連引力效應都沒有,更別提質量、密度等關鍵數據了。
但天無絕人之路,何況對於聰明絕頂的科學家來說,辦法總是有的。
說來也很簡單,簡單到最後用的是減法運算,就得到了暗能量數據!以暗能量總質量為例——
▲動用觀測設備和大型計算機,科學家最終算出宇宙總質量和總密度。
首先,科學家利用宇宙膨脹速度和加速度,先算出宇宙的總質量——背後到底是怎麼算出的?還是我前面說的那樣,科學家依靠很多物理理論和數學模型作為工具,動用觀測設備和大型計算機,最終算出來的,具體步驟從略。
▲普朗克衛星巡天觀測
接下來,科學家再動用一系列手段,間接探測暗物質,直接間接地科學手段對付普通物質,這樣就得到了明暗物質的質量。
最終利用減法運算,宇宙的總質量減去明暗物質的總質量,由此得出了暗能量的總質量。
看起來——天大的秘密背後,往往都是由簡單組成的。
▲宇宙三大構成的比重
問題來了,科學家們為什麼花那麼大力氣,非得要得到這些數據——宇宙三大構成的質量、密度等數據呢?越精確越好呢?
因為這些關鍵數據,決定著宇宙的未來、太陽系的未來、人類的未來!這麼嚴重!此話怎講?
先看宇宙總質量——
▲物質決定著空間如何彎曲或變形
廣義相對論告訴我們,物質決定著空間如何彎曲或變形,因為物質和能量是等價的,所以能量同樣決定著空間如何彎曲或變形。
那麼,推而廣之,整個宇宙的形狀,或者說宇宙空間的彎曲程度(學名叫空間曲率),就應該由宇宙的總質量決定。
於是,宇宙學家建立了一整套模型:宇宙作為一個整體來看,是開放的還是閉合的?是球面的,平面的,還是馬鞍面的?
為了方便衡量,這個理論引入一個標尺——臨界質量。
- 如果宇宙總質量>臨界質量,宇宙就是球形的,也有人管它叫「愛因斯坦彎曲球」。我們不妨來次思想實驗,如果你朝一個方向打一束激光槍,理論上,這束激光就像在地球表面做直線運動一樣,最終還會回到你的原點。(當然了,前提是你能活到那一天,那束光能夠在宇宙末日來臨之前飛回來。)所以,這種球形宇宙也叫閉宇宙,閉合宇宙的意思。
- 如果宇宙總質量<臨界質量,宇宙就是馬鞍形的。這種宇宙的大小是無限的,所以也叫開宇宙,無限開放的宇宙。
- 如果宇宙總質量=臨界質量,宇宙就是平面的。
根據科學家們的計算結果,目前我們的宇宙剛剛好就屬於第三種:宇宙總質量=臨界質量,宇宙總體來看平坦的。
事實上,宇宙學還有一套模型,就是通過宇宙總密度來衡量宇宙形狀,結果得到了同樣結論。
▲我們好像是宇宙中心,其實宇宙根本沒有所謂的中心。
這就好像在暗示:我們是宇宙中心一樣,宇宙演化是為了配合我們生存一樣!人類真是太幸運了,恰好就生活在宇宙平坦的時代!
當然,這種暗示會遭來宇宙學基本原則的白眼。因為宇宙根本沒有所謂的中心。
這種所謂的恰到好處,背後並不是什麼永遠幸運。因為沒有什麼是永恆不變的,現在的宇宙是平坦的,並不代表未來也是一成不變的。
尤其是我們已經發現了宇宙大莊家——暗能量!
▲暗能量正在讓星系彼此遠離,空間加速膨脹!
因為暗能量正在出乎意料地改變著宇宙空間的大小,讓空間加速膨脹!讓星系彼此遠離!
這就會引出另一個關鍵性的變化——宇宙總密度,也會隨著改變。
科學家給出了三種可能,宇宙總密度將會導致三種可能的宇宙未來演化——
▲宇宙總密度將會導致三種可能的宇宙未來演化
於是,科學家們建立了三種對應的宇宙未來演化模型——
▲主流的三種宇宙未來演化模型
①宇宙大撕裂
暗能量將會一直主宰下去,導致宇宙膨脹越來越快,越來越大,暗能量的密度甚至遠遠超過了暗明物質的密度,最終,整個宇宙被自身蘊含的暗能量給徹底撕碎了,大到最大尺度的宇宙長城,中到星系、恆星、黑洞,小到微觀世界的原子、質子、中子……統統難逃厄運——總之,宇宙最終死於暗能量的斥力。
②宇宙大坍縮
也許未來,暗能量會由強變弱,宇宙從加速膨脹變成減速膨脹,最終暗能量的斥力被明暗物質的引力作用所取代,宇宙走向收縮,直至大坍縮,就像宇宙大爆炸模型的反演過程,時空大反轉!
人類尚且還沒搞懂暗能量到底是神馬東西的時候,這種演化的可能形也是存在的——總之,宇宙最終死於明暗物質的引力。
③宇宙永恆——精質模型
未來宇宙演化就像被智能調製了一樣,在膨脹與收縮之間精確微調,所以,被稱為精質模型,借用古代鍊金術里第五元素即「精質」的概念,因為它被認為是構成天堂所有完美無缺的物質。
這個精質模型更像是一種宗教圖景。
▲暗能量正在主宰宇宙加速膨脹
很顯然,領教過暗能量巨大能耐的科學家,絕大多數都認同第一種模型。
因為假定宇宙總質量保持不變,宇宙總體積卻在加速膨脹,那麼宇宙總密度必將加速變小,低密度宇宙很可能一直膨脹下去。
甚至有科學家已經給出了宇宙末世的倒計時圖景——
- 宇宙大撕裂前10億年,所有星系都消失在可觀測範圍內,銀河系真的成為宇宙孤島。
- 大撕裂前6000萬年,銀河系被暗能量斥力分化瓦解,所有恆星分崩離析;
- 大撕裂前3個月,太陽系也被肢解了,太陽、地球、各大行星、小行星、彗星、奧爾特雲……無一倖免,宇宙成了原子的宇宙;
- 大撕裂最後30分鐘,微觀世界的粒子都在劫難逃,暗能量的斥力甚至會把質子、中子拆分成夸克,宇宙成為夸克、光子、電子的世界……
- 宇宙死於終極大撕裂。
這段看起來比科幻還科幻的推論——不幸的是,正在變成現實,因為宇宙好像正朝著這個方向加速。
▲最新結果顯示:宇宙整體構成比例:70%暗能量,26%暗物質,4%普通物質。這一結果要比普朗克衛星數據——暗能量比重高,宇宙密度低!
就在8月3日,國際暗能量聯盟最新發布了迄今為止最精確的暗物質地圖,結果顯示:
最新觀測的暗能量——要比之前的普朗克衛星觀測值要大,比重還要高!宇宙密度更低!
▲從大爆炸到大撕裂演化之路
宇宙似乎在向人類證明,第一種演化之路是對的。
以至於有科學家悲觀認為,這是暗能量在給整個宇宙開具死亡證明!
延伸閱讀——最新最精確的暗物質地圖,到底 藏著什麼宇宙級秘密?
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