宇宙的尽头是什么？三种情况，全指向了同一个结果

　　宇宙会如何终结？数千年来人类一直在思考这个问题，无论是从哲学层面去探寻未来的可能性，还是利用数学的方式在公式中寻找答案，但至今仍没有最终的解决答案。
　　今天我们所认识了解的主流宇宙模型来自于大爆炸理论，大部分的天文学研究都是建立在此模型上。
　　美丽的宇宙
　　近年来科学家认为，宇宙也许会以一种热寂的方式完成自己的终结。不过，这样的假设不是宇宙结局中的最终选择，仍然还有其他两种情况的可能性并指向同一结果。
　　热寂结局是怎样的？宇宙将在未来发生怎样的变化？为何它会有多种结局？
　　宇宙暴胀
　　本文接下来将会从今天的天文学研究中向大家解答这些问题，宇宙的尽头是什么？这三种情况是如何指向同一个结果的？宇宙究竟是什么样子？
　　在近代物理发展之前，人们对于宇宙的了解仅限于肉眼的观察上，许多研究最终都会寻求一种调和。而这种调和多是以哲学层面或者宗教层面去完成，事件本质和真相很难通过简单的科学手段完成观察。
　　星系的种类
　　不过进入18世纪后期，随着电磁力学的发展，传统物理研究受到了限制和阻碍，科学家发现宇宙中的不少问题很难再以经典物理上去解释，必须要有一个新的解决方案。
　　1921年，爱因斯坦荣获诺贝尔物理学奖之后的官方肖像
　　可以说爱因斯坦的出现打破了这一僵局，他在1915年的学术研究讨论大会上发表了自己关于电磁力学的看法，同时拿出了自己的广义相对论。这使得科学家重新有了可行的方式去探讨宇宙运动，甚至寻求宇宙最终的命运。广义相对论方程存在的几种可能的解，每一种解都暗示着宇宙可能出现的终极命运。
　　黑洞附近的结构示意图
　　在广义相对论的预测下，任何物体坍缩超过某个点就会形成一个黑洞，而这个黑洞内部便会出现一个奇点，后来的研究证明，奇点的本质是大爆炸。
　　整个研究过程非常曲折，就连爱因斯坦本人也一样。即便在相对论发表后，亚历山大弗里德曼在此后的研究中提出了包含运动物质的膨胀宇宙概念，并且还与爱因斯坦有过交流。但爱因斯坦不愿意相信这个结果，而是去努力地修改自己的方程，以确保牛顿时代人们所相信的静态永恒宇宙。
　　勒梅特与爱因斯坦
　　早在哈勃的研究发现以前，乔治勒梅特就对爱因斯坦的广义相对论进行着大量的计算研究。勒梅特在研究后认为，宇宙是正在膨胀的。由于他的研究报告发表在当地，几乎没有比利时以外的天文学家关注，所以该相关研究在当时并没有引起大多数人的注意。
　　宇宙持续不停地膨胀，现更加速膨胀
　　在爱因斯坦看来，勒梅特的研究计算并没有什么问题，但他拒绝宇宙膨胀的假说。直到勒梅特与爱因斯坦在索尔维会议上的第四次交流，这一次勒梅特在会议上详细地阐述了宇宙的变化，并指出宇宙射线可能是最初爆炸留下来的痕迹，爱因斯坦这才真正的接受了大爆炸假说。
　　地球周边的宇宙射线
　　后来爱因斯坦才坦言到，自己曾经为了寻求牛顿时代静态宇宙的广义相对论方程的解，所添加的宇宙常数是他一生中所犯的最大的错误。
　　随着后来物理研究的深入，天文学也在不断地进行更新，宇宙模型的建设也越来越接近我们今天所熟知的样子。
　　宇宙大爆炸模型新研究，新发现
　　今天我们了解到的宇宙基本上是广义相对论研究下的结果，宇宙的膨胀不像日常生活中看到的那样是直观的爆炸或者膨胀。这个概念必须抽象地去理解，它是宇宙的一个属性，发生在整个宇宙中，而不是宇宙的一部分。
　　因此人们也无法从内部观察到膨胀的具体过程，同时科学家相信也没有所谓的外部可以进行观察。
　　想象中的宇宙大爆炸
　　弗里德曼勒梅特罗伯逊沃克方程的度量膨胀建模是广义相对论的精确解，它描述了一个同质的、各向同性的、膨胀的宇宙。科学家们这才利用该方程完成了大尺度空间上的宇宙模型建设。
　　根据后来的暴胀理论，宇宙在大爆炸之后的一瞬间，突然开始膨胀，其距离至少膨胀了10倍的三个维度。这相当于把长度为1纳米的物体瞬间扩大至10。6光年长，在此后的时间里，这种扩张仍在继续，并且还在不断加速。
　　宇宙组成成分
　　但是科学家并不知道这种膨胀究竟是如何持续下去的，因此在后来的研究中，天文学家引入了暗能量的概念。目前的科学界认为，宇宙的最终命运取决于它的整体形状，以及它所包含的暗能量多少、暗能量密度如何响应宇宙膨胀状态。
　　最近的研究显示，从大爆炸后75亿年开始，宇宙的膨胀速率可能一直在增加，这与开放宇宙理论相符合。不过，威尔金森微波各向异性探测器的测量表明，宇宙的形态不止一种。
　　暗能量让宇宙加速膨胀多元宇宙的结局
　　先来看看开放宇宙，这种形态下的宇宙空间几何形状是开放的，就像马鞍表面那样负弯曲，三角形的内角和小于180。并且不相交的线永远不等距，它们有一个距离最小的点，否则便会分开，这种宇宙的几何形状是双曲线的。
　　开放宇宙即便没有暗能量，负弯曲形态下的宇宙也会永远膨胀，引力对膨胀的制约作用可以忽略不计。如果有暗能量的存在，膨胀不仅会继续，而且还会加速。这种状态下的宇宙，它所面临的终极命运要么是普遍的热寂或是大冻结。
　　宇宙的三种可能的几何形状
　　如何去理解大冻结和热寂呢？我们可以先来看看热寂，这其实是一种热力学定律下的终结，宇宙进入了最大熵的状态。一切都是均匀的，没有梯度，所有一切运动都停止，宇宙最终的温度达到了最小值。
　　而大冻结是宇宙在持续膨胀中渐渐地接近绝对零度的情景，宇宙中的所有天体都会因燃料耗尽，包括黑洞的蒸发，随着时间的推移，霍金辐射也会消失。
　　霍金辐射
　　由暗能量引起的加速度最终会变得异常强大，以至于它完全压制了引力、电磁力和强结合力的影响。开放宇宙还可能出现大撕裂，当前的哈勃常数定义了一个宇宙加速度，星系之间的重力结合会因这种宇宙加速度变化增加它们之间的空间。
　　哈勃常数将会稳步增加到无穷大，最终导致宇宙中的所有物质都被分解成未结合的基本粒子、辐射，然后宇宙成为一个有效的奇点。
　　宇宙是由一个奇点膨胀到现在的状态
　　如果宇宙常数为负的话，对应于负的能量密度和正压，那么宇宙的终极命运就会导致开放的宇宙重新坍缩到大紧缩状态，也就是封闭宇宙。
　　在封闭宇宙中，空间的几何形状会像球面一样是完全封闭的。三角形的内角和超过180而且没有平行线，所有的线条最终都会相遇。
　　浩瀚的宇宙
　　该宇宙所要面对终极命运是大紧缩，这种结局和最初的大爆炸完全相反。该理论假设下，宇宙的平均密度会阻止宇宙的膨胀，具体结果未知。科学家假设了一个简单的可能性，那就是在这最后，宇宙会坍缩为一个无量纲的奇点，回到最终的尺度。
　　这种情况允许宇宙回到大爆炸之前，并会创建一个循环模型，这个模型也被称作震荡宇宙。该循环模型下的宇宙可以由无限序列的有限宇宙组成，每个有限宇宙都以大紧缩结束。
　　熵增
　　但问题是这样的宇宙不符合热力学第二定律，因为熵的积累会在一个又一个震荡中积累，最终宇宙将走向热寂。由于目前并没有科学证据证明宇宙是封闭的，因此科学家基本上放弃了这个想法。
　　最后是平面宇宙，这也是当前宇宙模型中最令人接受和信服的一个宇宙，不少科学家都认为宇宙是平坦的，但不要从一般意义上的平坦去做理解，该平坦被解释为平行线保持平行。
　　绚丽的宇宙
　　如果宇宙的平均密度正好等于临界密度，即1，那么就会出现平坦宇宙。这就像欧几里得几何一样，三角形内角和为180，平行线连续保持相同的距离。根据威尔金森微波各向异性探测得到的测量结果证实，宇宙在0。4的误差范围内是平坦的。
　　暗能量
　　如果没有暗能量的影响，平坦的宇宙会永远地膨胀下去，但会在不断减速的速度下膨胀，最后膨胀速度趋近于零。如果有暗能量的作用，宇宙膨胀速度会因引力的作用出现减慢，但随着膨胀中的引力作用减弱，最终速度增加。平坦宇宙的终极命运最终会与开放宇宙的结局相同。
　　宇宙膨胀想象图
　　所以综合上述所有存在的可能，我们可以看到，这三种情况最终都证明宇宙会消亡。尽管消亡的方式各有不同，并且有可能会出现反转，但无一例外都会彻底消失或是完全停止。
　　神奇的宇宙
　　虽然天文学的研究在不断地发展，但是我们仍然对宇宙知之甚少，也许在未来这些结果都可能会被改变。尽管这些结局看起来都很悲观，但对于人类来讲，我们可以去追寻宇宙中的任何一种可能，然后去试着改变自身的存在。