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宇宙是怎样膨胀的?它的结局和过去是怎样的状态?

勒梅特在1927年就提出宇宙膨胀,1929年哈勃就测量出了星系的距离和红移之间的关系,证实了勒梅特的说法。

这里需要注意的是,星系在远离我们,并不是因为星系相对于空间的运动造成的,而是星系和星系之间的空间发生了膨胀,星系相对于空间并没有动,但空间的膨胀也会导致我们看到的星系在远离我们。

那么空间是怎样膨胀的?对于理解这个问题,爱丁顿曾经就举了一个非常形象的例子,这个例子到现在依旧是用来科普最好的说法了。

就是说,在一个气球上粘一些硬币,现在我们慢慢地把气球吹大,在气球膨胀的过程中,硬币之间的距离会不断地扩大,但是硬币并没有相对于气球表面在移动。

而且不管从哪个硬币的视角看,都满足哈勃膨胀定律,距离越远,远离的速度越快。这确实是一个非常好的例子,但是这个例子的缺陷是,把三维空间的膨胀类比到了二维空间上了。

所以我这里还有一个三维空间的类比,一个揉好的面团,在面团里面均匀地放上葡萄干,现在把这个面团放进烤箱里,这就是我们烤面包,蒸馍的过程。

那么随着面团的膨胀,虽然里面的葡萄干相对于面团没有移动,但它们之间的距离却增大了,也满足哈勃的膨胀定律。

不过在面团这个类比中也有缺陷,因为面团这个宇宙它有中心,而且有边界,所以它不是一个各向同性的宇宙,而我们真实的宇宙是没有中心和边界的,这跟气球表面的那个类比一样,你看,在气球的表面上,它没有中心,也没有边界,但大小有限,这一点很符合我们真实的宇宙。

所以这两个类比各有各的优点,但都不完美,不过他俩结合起来应该能让你了解我们的宇宙是怎样膨胀的。

自从人们确定了宇宙在膨胀以后,就开始了对宇宙的未来和过去的思考。如果往未来看,空间的膨胀势必会让物质之间的距离越来越远,这就会造成宇宙的能量密度会越来越低。

膨胀的空间还会不断地拉长其中辐射粒子的波长,这就会造成宇宙的温度会越来越低,所以当时人们就想,一个膨胀的宇宙会给我们带来怎样的结局

不难想象,在宇宙膨胀的过程中,有两种力在互相拉扯、对抗,其中一个就是宇宙的膨胀率,另外一个就是宇宙中物质之间的引力,它一直在对抗着宇宙的膨胀。

所以总的来说,我们的宇宙从诞生以后,一直都处在减速膨胀的过程中,虽然是减速膨胀,但依旧有三种可能的结局:

第一种,虽然引力一直减慢宇宙的膨胀率,但是由于物质和能量的密度不够,且在不断地下降,引力只能在小尺度上把物质束缚在一起,比如形成星系、星系团这些结构,但在更大的尺度上,引力并不能把整个宇宙的膨胀率降到0,或者是变为负数,整个宇宙的膨胀率依然会以一个不为零的正数,匀速的一直膨胀下去。这样的结局会导致,宇宙的物质越来越稀疏,温度越来越低,所以称为大冻结,在热力学上,也叫热寂。

第二种情况正好就跟第一种情况相反了,引力不仅能在小尺度上起作用,一直在大尺度上也具有掌控力,整个宇宙会在膨胀率的作用下达到一个最大的体积,然后引力回将膨胀率将为零,并且会逆转膨胀,使得整个宇宙开始坍缩,最终整个宇宙会回到那个大爆炸的起点。这种情况称为大坍缩。

第三种情况就比较有意思了,它处在了第一种和第二种的中间状态,引力和膨胀率谁都没有获胜,他们完美地达到了一种平衡状态,引力不会让膨胀率降到零,而是会无限的趋近于零,宇宙的大小会达到一个最大值,它不会在变大,也不会在变小。

以上的三种可能是人们在上世纪的30年代,根据宇宙膨胀的观测结果,和爱因斯坦的广义相对论所推导出来的三种可能的宇宙结局,都是基于宇宙在减速膨胀所推到的结果。

但后来人们发现宇宙在加速膨胀,那就是另外一回事了,后面我们说暗能量的时候会详细地说。

根据宇宙的膨胀人们在考虑了宇宙的未来以后,肯定就要思考宇宙的过去了,如果把这个问题交给你,你肯定也能够想到,现在宇宙在变大,在过去宇宙肯定会更小。

那么问题是,宇宙在变小的时候,其中的物质和辐射会发生啥变化?

首先,能够想到的是,如果物质和辐射的总量没有变化的话,那么宇宙体积的减小,物质和辐射的密度就会增加,也就是今天宇宙中所有的东西会挨得更近。

但是辐射的性质更加奇妙,我们知道物质能量来自于它所含的质量,这是不会变化的,可辐射没有质量,它的能量取决于它的波长,波长越小能量越大,波长越长能量越小。

那么在宇宙不断变小的时候,辐射除了密度会增加以外,它的波长也会缩短,比如说,如果宇宙的尺度缩小到今天一半的时候,物质和辐射的密度会增加到今天的8倍,除此之外,光子的波长就会变为今天的1/2,那它所携带的能量会增加2倍,在加上光子密度的增加,那么光子的总能量会比现在高16倍。

这种指数增长非常快,如果我们不断地往回追溯的话,光子的能量会越来越高,能量高意味着啥?意味着温度会越来越高,那么根据宇宙膨胀的反推,我们就能知道宇宙早期就是一个密度极高、温度极高、体积极小的状态。

那么现在我们知道了宇宙早期的状态,这对我们了解宇宙起源,物质形成有何帮助呢?这就是我们下节课的内容,物理学家伽莫夫首次为我们描述了宇宙早期的创世时刻,它预言了大爆炸核合成以及微波背景辐射的存在。

这两个预言和宇宙膨胀,最后也就称为宇宙大爆炸理论的三大基础。