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宇宙的尽头什么样?

科技前沿 小马 1周前 (10-14) 12次浏览 0个评论

 

参考消息2020-10-10

参考消息网10月10日报道 宇宙的尽头是什么样子?西班牙《理智报》网站10月4日发文总结了最为大众所接受的五种假设。全文摘编如下:

曾几何时,物理学家认为宇宙是静止的,既不会增长,也不会衰减。正如达尔文让我们知道生物在不断进化,魏格纳让我们知道大陆在漂移,美国天文学家埃德温·哈勃使人类对宇宙的认知发生了关键转变。

哈勃1931年公布的观测结果显示,其他星系正在远离我们,且离我们越远的星系远离速度越快。事实上,哈勃观测到的是红移现象,当光源远离观测者时就会产生这种效应。这与声波的原理相同,当声源——如救护车的警报声——从面前经过时,我们听到的声音会从尖锐逐渐变得低沉。正如声波的频率会发生变化,星系发出的光的电磁波频率也会发生变化。

于是人们开始假设,原始宇宙与我们现在看到的样子并不相同。因此有必要自问,数十亿年后宇宙会变成什么样子,宇宙是否有尽头?

要了解宇宙的未来,就必须明白引力和暗能量将如何演变。有证据清楚地指出,目前我们正处于一个快速扩张的宇宙中。简单地说,哈勃之所以观测到星系红移现象,不是因为这些星系正在朝与银河系相反的方向移动,而是因为星系之间正在“形成空间”。一个经典的类比就是表面贴有不同图片的气球。当气球膨胀时,图片就会分离,因为气球在“生长”。

既然星系正在相互远离,那么从某种程度上来说,它们克服了本应将它们聚拢的引力,而助推宇宙扩张的能量就是暗能量。我们知道,当距离增大时,引力会急剧减小。在短距离内,引力足够强,以至于能克服扩张,将银河系的恒星甚至银河系与周边星系聚拢,我们称之为“本星系

另一方面,我们尚无法确切地得知宇宙中有多少物质,无论是构成我们的重子物质,还是暗物质。不知道这个问题的答案,就无法得知引力对宇宙演变的影响有多大。同样,我们也不知道随着星系远离,暗能量会发生怎样的变化。因此,就算我们知道扩张会加快,也不知道这个过程会持续多长时间,是否会停止或反转,抑或是否有其他我们尚未观察到的决定性因素会对此产生影响。

考虑到物质密度和暗能量,无论在平面宇宙还是开放宇宙,扩张都可能无限期地进行下去。这意味着如果我们等待足够长的时间,恒星将熄灭,黑洞将消失,最终能量(既不会凭空产生,也不会凭空消失)将均匀分散在宇宙中。根据热力学第二定律,天文学进程将终止。我们称之为宇宙的“热寂”。尽管这个结局并不确切,但确实是最为大众所接受的假说。

假设暗能量的影响逐渐增强,那么扩张将比上述情形更快。存在着暗能量在短距离内的排斥效果大于引力的可能性,这样就会将同一个星系的恒星分开。暗能量甚至可能超过电磁力、弱相互作用和强相互作用等强得多的力。倘若如此,暗能量可能会撕裂原子,将宇宙变为“亚原子微粒汤”。这种悲惨的景象被称作“大撕裂”。我们已经有了两种可能的假设。

第三种情形或许是最激发公众想象力的一种情形。引力最终取胜,并使宇宙回归至与“大爆炸”之前类似的状态,正如一根弹簧在拉伸后会收缩一样。这个过程被称作“大挤压”。它与宇宙“原路返回”不同,换句话说,不像电影倒带那样。无论如何,时间都会继续推进。

在其他物理学家看来,故事还没有结束。他们提出第四种情形,即在“大挤压”之后,“大爆炸”反复出现。这种循环往复的情形被称作“大反弹”。

最后,还有理论学家提出了这样的可能性,即我们所认识的真空并非真的空无一物,在我们所认识的真空中存在着能量。于是有人提出,可能存在一个能量水平更低的“真真空”。如果这件事成真,那么我们的“假真空”可能会变为“真真空”,导致部分物理学常数发生变化。换句话说,就像是在一局相当复杂的游戏中途改变游戏规则,这局游戏将崩溃。

【延伸阅读】宇宙“怪兽”:诺贝尔奖为何聚焦黑洞研究?

参考消息网10月8日报道 10月6日,英国人罗杰·彭罗斯、德国人赖因哈德·根策尔和美国人安德烈娅·盖兹因在黑洞研究中做出的贡献而被授予2020年诺贝尔物理学奖。黑洞是什么?怎么识别?

阿根廷布宜诺斯艾利斯经济新闻网盘点了上述问题。

什么是黑洞?

理论认为,黑洞是恒星演化的最后阶段,是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃逸的天体。但并非所有恒星都会变成黑洞,黑洞仅由非常巨大的恒星演变而成。当这些恒星的生命耗尽时,将以灾难性且不可阻挡的方式坍塌,同时形成一口“引力井”。

报道称,爱因斯坦1915年提出的广义相对论可以解释黑洞的原理。这些宇宙“怪兽”的引力大到什么都无法逃脱,无论是物质还是光,无论是什么波长。作为宇宙中的最快速度,如果光都无法从黑洞逃脱,那么其他东西更做不到。

如何识别?

天文学家试图通过围绕其周边的物质形成的明亮背景来观察这种“怪兽”。专家指出,通过观察周围环境可以看到发生了什么。经过推断可以发现,有某种东西“吞噬了”一切。

另一方面,在巨大的引力作用下,最靠近这些“怪兽”的恒星被拉伸后变成扁平结构,其气体被加热到极限温度。

报道称,事实上,超大质量黑洞是天体物理学的一个谜,尤其是黑洞变大的方式以及它们的形成是许多研究的焦点。科学家认为,黑洞以空前的速度吞噬了其周围非常密集的星系发出的所有气体。由于黑洞是不可见的,因此只能通过对比观察,看看在它们周围发生了什么现象。史上首张革命性的黑洞图像于2019年4月向全世界公布。

宇宙中有多少种黑洞?

科学家认为,根据不同大小可以分为恒星级黑洞、星系中心超质量黑洞和原始黑洞。大质量恒星在引力坍塌后形成的黑洞就是恒星级黑洞,其质量是太阳的几十倍甚至上百倍;而那些质量是太阳数百万甚至数十亿倍的是星系中心的超质量黑洞;此外,宇宙中还存在很多小型黑洞,它们被

认为是在大爆炸时形成的质量很小的原始黑洞。

报道指出,目前的理论普遍认为,在大多数星系的中心都存在一个超大质量的黑洞,还有成千上万的恒星级黑洞。已知距地球最近的黑洞在大约1000光年以外。

这是人类史上首张黑洞照片。新华社发(事件视界望远镜项目组 供图)

(2020-10-08 15:26:05)

【延伸阅读】新研究支持“泛种论”:地球生命可能源于全宇宙微生物入侵

参考消息网8月28日报道 西媒称,《微生物学前沿》杂志日前刊登的一篇文章指出,一些暴露在

国际空间站外的细菌存活了3年多,这一发现支持了所谓的“泛种论”,即地球上的生命可能起源于全宇宙的微生物入侵的假说。

据埃菲社华盛顿8月26日报道,这一名为“蒲公英”的研究项目的首席研究员、东京药科大学教授山岸昭彦(音)表示:“地球上的生命起源是人类最大的谜团。科学家对这一问题可能存在完全不同的观点……。有人认为生命非常稀有,在宇宙中只发生过一次,而另一些人则认为生命可以在每个合适的星球上发生。”

他指出:“如果泛种论成为可能,生命必定比我们想象的要普遍得多。”

报道称,这项研究的想法是,整个宇宙遍布着像蒲公英的种子一样散落的微生物,它们会在找到合适的环境时生长。

山岸昭彦领导的一项实验在2018年利用一架飞机和科研气球测试了大气中微生物的存在,发现了漂浮在海拔1.2万米以上的迪诺球菌(Deinococcal)。

已知这些细菌形成的菌落可以达到超过一毫米的长度,并且对紫外线和其他环境因素具有抵抗力,因此科学家们想知道它们是否能够在外太空中停留足够长的时间,甚至进行星际传播。

为了寻找答案,日本研究团队将成团干燥的迪诺球菌样本放置在国际空间站外裸露的板上。这些不同厚度的样本在太空中放置了一年、两年或三年。

报道称,先前的实验已经表明,如果细菌被岩层包裹,它们可以在太空中长期生存,而此次是关于细菌以团块或团簇形式在太空中生存的可能性的首次研究。

3年后,研究人员发现厚度超过0.5毫米的星团在太空条件下部分幸存,并观察到表面细菌死亡后会形成了一层保护层,以确保其他“殖民者”的幸存。

随后,研究人员使用了暴露一年、两年和三年的细菌的生存数据,并推算出一个厚度超过0.5毫米的星团在国际空间站实验室外可以存活15至45年。

山岸昭彦指出:“这些结果表明,耐辐射的迪诺球菌可以在地球到火星的往返旅程中幸存下来,而这段旅程在最短的轨道上可能要花费几个月或几年的时间。”(编译/韩超)

【延伸阅读】西媒:美国科学家估算宇宙何时走向“终结”

参考消息网8月17日报道 据西班牙《阿贝赛报》网站8月15日报道,科学家们通常认为,“大爆炸”创造了时空,让钟表运行,也形成了星系、恒星和行星。但未来会发生什么?宇宙会走到尽头吗?

美国伊利诺伊州立大学理论物理学家马特·卡普兰在一份公报中说:“宇宙将成为一个悲伤、孤独和寒冷的地方。这就是人们所说的‘热寂’,宇宙的主要构成将是黑洞和枯竭的恒星。”

卡普兰在一篇预计将发表于英国《皇家天文学会月刊》上的文章中估算了宇宙何时将变为一片死寂。为此,卡普兰估测了最后一次超新星爆发可能出现的时间。所谓的超新星爆发,是指大质量恒星在燃料耗尽、坍缩时通常可能发生的一次剧烈爆炸。根据卡普兰的预测,这次爆炸将出现在10的32000次方(也就是1后面有32000个0,一张纸都写不下)年以后。

然而,卡普兰的估算并未描述大质量恒星的死亡。它们可能在很早之前就已经死亡了:正如现在我们看看周围,大恒星聚合越来越重的元素,直至成为铁。铁元素无法再聚合,并会累积在恒星内部,最终导致恒星坍缩和爆炸。

因此,一切结束后,最终剩下的将是更小的恒星,它们不会再发生超新星爆炸,而是成为白矮星:这就是等待太阳的命运。白矮星是什么样子?基本上是失去外壳的恒星留下的熄灭的核。

理论上来说,随着时间推移,这些核会逐渐冷却,并成为黑矮星。卡普兰说:“随着白矮星冷却,在接下来的数十亿年间,它们的亮度会逐渐减弱,并最终硬化,成为不会发光的黑矮星。”黑矮星的成分为碳、氧等轻元素,其体积与行星差不多。但与行星不同的是,它们会达到恒星的质量。

但就算形成黑矮星,一切也不会结束。卡普兰说,由于量子隧穿效应,黑矮星的内部将继续发生聚变反应。因此,就算黑矮星也会产生铁,并最终加快超新星爆发:这就是卡普兰所说的“黑矮星超新星”。


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