天体物理作业

姓名：李龙祥班级：13级物理C班学号：134090160

宇宙的未来是什么？

我们都知道，宇宙是由空间、时间、物质和能量，所构成的统一体；是一切空间和时间的综合。一般所说宇宙是指我们所在的时空连续体，包括其间的所有物质、能量和事件。作为生活在茫茫宇宙中的智慧生物人类，解决了衣食温饱问题后，自然开始关心一些“脱离生活”的问题。科学即从此发源，在各种科学里，最为“脱离实际”，就研究对象而言体积最为宏大延续时间最久远的，非宇宙学莫属。而研究宇宙学的科学家，大概每个人都会被问到这样一个问题：

一．宇宙的过去和现在

二十世纪以来，随着现代物理学和天文学的发展，科学家建立了宇宙学。按照现在的认识，宇宙的年龄大约137.3亿年（正负误差1%），直径约200—300亿光年，物质构成为4.6%左右的普通物质，23%的暗物质，72%的暗能量和少于1%的中微子。毫无疑义的，宇宙现在仍然处于膨胀状态。在时间上，我们大致可以认为宇宙的时间就像一根有方向的线，它的起点是无限接近0的一个去心极限，我们目前大概在137亿年附近的某一个点上。在空间上则要复杂些，科学家们认为，宇宙在大尺度上是基本“平坦”的，虽然根据广义相对论，大质量天体附近有局部的时空褶皱。而且，宇宙应该没有边界，但是大小有限——这似乎很难理解，不妨还是举这个经典的例子来解释：对于一只二维世界的蚂蚁，如果将它放在一直三维空间的球上，则无论它向哪个方向爬，都无法找到世界的边界，然而球的二维面积只是一有限值。在数学上构造这样的空间模型很容易。

实际上学界主流的解释宇宙来源的大爆炸理论正是由一位数学家提出，几十年来得到较多的理论、实验和观测证据的证明。根据这一理论，宇宙在约137亿年前诞生，诞生10^-43秒后宇宙从量子背景中出现。（有人会问爆炸之前是什么？这无意义，因为时间这一概念只有在宇宙大爆炸发生之后才有意义；有人会问0秒—10^-43秒这段时间发生了什么？不可知，因为我们认识的时间和空间都不是可以无限细分的，在目前我们的科学理论中小于10^-43秒的时间是不可分辨的）；在10^-35秒时强相互作用、引力作用、电磁相互作用、弱相互作用四大基本力分开；到10秒质子和中子开始结合成氘，氦等原子核，此时宇宙温度约10^9K；大爆炸后30万年，电子和原子核结合成为原子，物质和能量分开；大爆炸后约50亿年，太阳系形成。支持大爆炸理论的观测现象主要是河外星系红移和3K微波背景辐射，其他一些现象如天体年龄从未有超过200亿年的，氢氦元素丰度在宇宙各天体都大致相同等也可以佐证。

二．宇宙的两大未来

根据我们上面提到的信息，其实就可以预测宇宙的未来了。如果我们是由大爆炸而来，并且仍在爆炸（膨胀）中，那么我们首先想到宇宙可能会一直膨胀下去，然后想到万有引力可能使宇宙停止膨胀并收缩。这两大可能谁会发生取决于宇宙现在的物质密度：如果宇宙中物质密度未超过临界密度，则膨胀会一直持续下去，否则，宇宙就可能在将来的某一天开始

停止膨胀，直到收缩，并最终形成一个与大爆炸相对的“大坍缩”。这一密度经过计算为

5*10^-30克每立方厘米。

这两种未来中宇宙的前景如何呢？如果一直膨胀下去，根据目前的理论，恒星演化到晚期会把一部分物质（气体）抛入星际空间，而这些气体可用来形成下一代恒星。虽然并未确定这种过程会减少这种气体，但由于大部分质量留在星体中成为矮星或黑洞，星际气体会越来越少。到最后气体太稀薄以致于不能再产生新的恒星。另外随着星系的演化，星系中心部分生成黑洞，并通过吞食经过其附近的恒星而长大。大约10^14年后，所有恒星都会失去光辉，宇宙也就变暗。如果质子可以衰变（这尚未证实），10^18年以后组成恒星的质子不再稳定，10^32年后，质子开始衰变为光子和各种轻子，10^71年后，这个衰变过程进行完毕，宇宙中只剩下光子、轻子和一些巨大的黑洞。在黑洞中物质处于什么样的状态我们不得而知。按传统理论黑洞只能吸取物质，而任何物质都无法从中离开，岂不是宇宙最后会变成一个大黑洞？非也，根据霍金的理论，因量子效应有能量的粒子可以从黑洞中逃逸出来，黑洞因此慢慢蒸发，10^108年后所有黑洞都蒸发完毕。一群个数有限的粒子飘荡在几乎无限大的空间中永不停歇又毫无意义地做着量子概念上的振动，这就是宇宙的结局：热寂。即使证明质子不会衰变，宇宙的结局也不过是无规则地做永不停息的质能转换。可以肯定的是，如果一直膨胀下去，宇宙最后是一个彻彻底底的“大同世界”。这种宇宙及“开宇宙”。

如果收缩，即宇宙最后变成“闭宇宙”（需要说明的是，“开”和“闭”不仅指时间上的永恒或有限，也和宇宙几何尺度的开放与否一直。事实上，如要物质密度大于临界密度，则一定要有宇宙几何尺度的闭合为前提），那么宇宙会在若干亿年后停止膨胀，并转入收缩。对于那时的世界，有一个有趣的见解，即不仅空间会变小，时间也会倒流。现在能独立说明时间方向的三个时间之箭中宇宙学箭头倒转是显然的，而热力学第二定律中低熵状态才是稳定状态，能量的自发聚集变成天经地义，只有心理学箭头比较玄乎，不过把人看做宇宙的一部分的话，可能根本不存在独立的心理学箭头呢。如果时间也倒转的话，我们的一切历史都会重新出现。光和热来得天经地义，人从坟墓里出生，越活越年轻，最后归于娘胎；生活用品不是从工厂中生产，而是从垃圾堆产生，最后在工厂中消失……似乎那些总喜欢怀旧的人有福了，然而不然，人类也在越来越落后愚昧，最后消失（当然即使时间不倒流人类也会消失）。最后，经过一个和膨胀完全相同的过程，宇宙在空间上又回到一个极小尺度，时间上回到无限逼近0的某一时刻。至于这之后宇宙会不会再次爆发，已经不是我们可以关心的问题。

三．宇宙其它可能的未来

现有观测数据中表明，如果把目前所观测到的全部发光物质的质量平摊到整个宇宙空间，平均密度只有2×10^-31克每立方厘米，远远低于上述临界密度。似乎宇宙的未来注定荒芜了。但是目前我们对宇宙实际平均密度的测定和临界密度的计算很不可靠，因为根据前文，宇宙中还存在着占总数达96%的我们几乎还一无所知的暗物质和暗能量。由于物质的引力导致收缩，能量的斥力导致膨胀，宇宙的演化实际上是在这两种力量的此消彼长间进行。根据一些较新的研究成果，宇宙实际平均密度和临界密度可能比较接近，因此未来宇宙可能逐渐减缓膨胀趋于稳定。还有一种可能，发现暗能量后，人们开始意识到还有一种可能目前观测到的加速膨胀并不是简单的波动，而是“大撕裂”的一部分，也就是说宇宙可能不仅要膨胀，而且膨胀的速度会剧增，最后宇宙间的一切物质都会被撕裂成基本粒子。