20 世紀 20 年代末，愛德文·哈勃發(fā)現(xiàn)星系退行速度與它們和地球的距離成正比，這就是著名的“哈勃定律”，它表明宇宙不是靜態(tài)的，而是在不斷地膨脹。這一發(fā)現(xiàn)是宇宙大爆炸理論的關(guān)鍵證據(jù)之一。
但是一直以來，天文學家認為宇宙膨脹的速度正在減慢。但是直到上世紀末，天文學家有了一個驚人的發(fā)現(xiàn)，它猶如一顆重磅炸彈震撼了科學界，那就是宇宙很可能在加速膨脹。
要解釋宇宙為什么正在加速膨脹，還要從“超新星”說起，確切的說是Ia型超新星，它是一種特殊的超新星，其爆發(fā)機制導(dǎo)致它們具有幾乎一致的峰值光度，因此可以作為“標準燭光”。天文學家通過觀測不同距離的Ia型超新星的視星等，結(jié)合其已知的絕對星等，利用距離模數(shù)公式來測量它們與地球的距離。上世紀90年代末，兩個團隊試圖通過觀測Ia型超新星，來優(yōu)化哈勃常數(shù)的估算值。哈勃常數(shù)是描述宇宙膨脹速度的一個關(guān)鍵物理量，它表示星系退行速度和距離之間的比例關(guān)系。他們原本以為這項研究能讓他們看到過去的宇宙膨脹速度比現(xiàn)在快了多少，畢竟在這之前科學家們一致認為，宇宙大爆炸之初膨脹過快，引力來不及拉住它，在后來的漫長歲月當中，引力又迎頭趕上，一直努力拖慢膨脹的速度。然而，當他們將Ia型超新星所在的遙遠星系與近鄰星系的類似研究放在一起對比時，結(jié)果卻令他們大吃一驚。1998年，這兩個團隊不約而同地發(fā)現(xiàn)，他們的觀測結(jié)果暗示宇宙在遙遠的過去膨脹得更慢。也就是說，今天的宇宙膨脹得比過去更快，我們可以理解為宇宙正在加速膨脹。
根據(jù)哈勃定律，星系退行速度和它們與地球的距離成正比，退行速度可以通過星系光譜的紅移來確定，紅移量越大，代表著星系退行速度越快。在對大量超新星的觀測中，發(fā)現(xiàn)距離越遠的超新星，其紅移量越大，更遠的超新星比預(yù)期的更暗、紅移更大，這意味著宇宙在加速膨脹。
那么究竟是什么神秘力量在背后推動宇宙加速膨脹？這成為當代物理學界最亟待解決的謎題之一。傳統(tǒng)的物質(zhì)與引力理論，也就是按照已知的由普通物質(zhì)和暗物質(zhì)所產(chǎn)生的引力，宇宙應(yīng)當是在引力作用下逐漸減速膨脹，最終甚至可能走向收縮。所以，科學家推測存在一種前所未有的、具有反引力性質(zhì)的神秘能量，它能夠克服物質(zhì)間的引力作用，驅(qū)動宇宙加速膨脹，這種神秘能量被命名為 “暗能量”。
暗能量究竟是什么？目前尚無定論。科學家推測，它約占宇宙總質(zhì)能的68%，從目前的物理學認知來看，暗能量不是物質(zhì)，它是一種與物質(zhì)有著本質(zhì)區(qū)別的、充滿神秘色彩的能量形式，它無法被直接觀測到，只能通過其對宇宙膨脹的影響間接推斷它的存在。
從目前的大多數(shù)觀測證據(jù)和理論模型來看，宇宙正在加速膨脹是一個被廣泛接受的觀點，但仍然存在一些不確定性和爭議。首先，用于觀測宇宙膨脹的方法都存在一定的誤差。例如，超新星觀測可能受到星際塵埃的影響，塵埃會吸收和散射光線，從而改變觀測到的超新星的亮度，導(dǎo)致距離估算不準確。另外，盡管暗能量模型能夠解釋宇宙加速膨脹，但暗能量的本質(zhì)仍然是一個巨大的謎團。而且，目前還沒有直接探測到暗能量，這也使得一些科學家對宇宙加速膨脹的解釋持謹慎態(tài)度。
很多人可能會問，宇宙會一直膨脹下去嗎？宇宙最終的命運會是怎樣的？實際上，科學界現(xiàn)階段還不能確切回答這些問題，目前只能給出幾種宇宙未來的可能性。
目前最主流的觀點傾向于宇宙會因暗能量的存在而持續(xù)膨脹。如果暗能量持續(xù)主導(dǎo)，宇宙將會無限加速膨脹下去。在遙遠的未來，星系之間的距離會變得無比遙遠，以至于它們彼此之間的引力聯(lián)系被徹底切斷。恒星將逐個燃盡燃料，最終熄滅，宇宙將陷入無盡的黑暗與寒冷之中，這便是所謂的 “大凍結(jié)” 結(jié)局。
而倘若暗能量的性質(zhì)發(fā)生意想不到的變化，例如它的能量密度突然衰減或者轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸ξ再|(zhì)，宇宙的演化路徑又將截然不同。有可能宇宙會重新回歸減速膨脹，甚至開始收縮，最終所有物質(zhì)又重新聚集在一起，引發(fā)一場與宇宙大爆炸相反的 “大塌縮”，宇宙將回歸到初始的奇點狀態(tài)，等待下一次 “輪回” 爆發(fā)。
另一個更極端的可能性是“大撕裂”，暗能量的排斥力會越來越強，最終撕裂星系、恒星，甚至原子，宇宙將走向徹底的瓦解。
對于宇宙是否會一直膨脹下去的幾種可能性，不管是“大凍結(jié)”、“大坍縮”，還是“大撕裂”，這些預(yù)測只是基于當前的宇宙學理論和觀測數(shù)據(jù)，但仍然存在很大的不確定性。隨著未來科學的發(fā)展，這些預(yù)測可能會發(fā)生變化。
由于我們現(xiàn)在對暗能量幾乎是一無所知，甚至有人推測暗能量可能并不存在，所以現(xiàn)在我們真的不知道在遙遠的未來，宇宙是否會一直膨脹下去，以及宇宙的命運會走向何方。或許有一天，我們能夠解開暗能量之謎，到那個時候才可能徹底了解宇宙膨脹的本質(zhì)，并預(yù)言宇宙的最終命運。
作者：星眾成光
審核：中國科學院國家空間科學中心研究員 李明濤
出品：中國科協(xié)科普部
監(jiān)制：中國科學技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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