新的研究表明，在短短 1 亿年内，宇宙可能会开始缩小。
艺术家对宇宙大爆炸几亿年后早期宇宙恒星形成的印象。 （图片来源：美国国家航空航天局）
发表在《美国国家科学院院刊》杂志上的一项新研究表明，在经历了近 138 亿年的不间断膨胀之后，宇宙可能很快就会停滞不前，然后慢慢开始收缩。
在这篇新论文中，三位科学家试图根据过去对宇宙膨胀的观察来模拟暗能量的性质——一种似乎导致宇宙膨胀得更快的神秘力量。在团队的模型中，暗能量不是自然的恒定力量，而是一种叫做精华的实体，会随着时间的推移而衰减。
研究人员发现，尽管宇宙的膨胀已经加速了数十亿年，但暗能量的排斥力可能正在减弱。根据他们的模型，宇宙的加速可能会在接下来的 6500 万年内迅速结束——然后，在 1 亿年内，宇宙可能会完全停止膨胀，相反，它可能会进入一个缓慢收缩的时代，从数十亿年结束现在随着时间和空间的死亡——或者也许是重生——。
新泽西州普林斯顿大学普林斯顿理论科学中心主任、研究合著者保罗斯坦哈特说，这一切都可能“非常”迅速地发生。
“时光倒流 6500 万年，那时希克苏鲁伯小行星撞击地球并消灭了恐龙，”斯坦哈特告诉 Live Science。 “在宇宙尺度上，6500万年非常短。”
没有参与这项研究的不列颠哥伦比亚大学物理学和天文学教授 Gary Hinshaw 告诉 Live Science，这个理论没有任何争议或不可信。 然而，由于该模型仅依赖于过去对膨胀的观察——而且因为宇宙中暗能量的当前性质是如此神秘——本文中的预测目前无法验证。 目前，它们只能保留理论。
虚空的能量
自 1990 年代以来，科学家们了解到宇宙的膨胀正在加速；星系之间的空间现在比数十亿年前扩大得更快。科学家们将这种加速暗能量的神秘来源命名为——一种看不见的实体，它似乎与重力相反，将宇宙中最大的物体推得更远，而不是把它们拉在一起。
尽管暗能量约占宇宙总质量能量的 70%，但它的性质仍然是个谜。爱因斯坦提出的一个流行理论是，暗能量是一个宇宙常数——一种编织到时空结构中的不变的能量形式。如果是这样，并且暗能量施加的力永远不会改变，那么宇宙应该永远继续膨胀（和加速）。
然而，一个相互竞争的理论表明，为了适应过去宇宙膨胀的观测，暗能量不需要保持不变。相反，暗能量可能是一种被称为精髓的东西——一种随时间变化的动态场。 （斯坦哈特是在 1998 年《物理评论快报》杂志上的一篇论文中提出这一想法的三位科学家之一。）
与宇宙常数不同，精华可以是排斥的或有吸引力的，这取决于它在给定时间的动能和势能的比率。在过去的 140 亿年中，精髓令人厌恶。然而，在那个时期的大部分时间里，与辐射和物质相比，它对宇宙膨胀的贡献微不足道。大约 50 亿年，当精髓成为主要成分，其引力排斥效应导致宇宙加速膨胀时，情况发生了变化。
“我们在本文中提出的问题是，‘这种加速必须永远持续下去吗？’”斯坦哈特说。 “如果没有，有什么替代方案，情况多久能改变？”
暗能量之死
在他们的研究中，Steinhardt 和他的同事、纽约大学的 Anna Ijjas 和普林斯顿大学的 Cosmin Andrei 预测了未来数十亿年精粹的特性将如何变化。为此，该团队创建了一个精髓的物理模型，随着时间的推移显示出它的驱避力和吸引力，以适应过去对宇宙膨胀的观察。一旦团队的模型能够可靠地再现宇宙的膨胀历史，他们就会将预测扩展到未来。
“令他们惊讶的是，他们模型中的暗能量会随着时间的推移而衰减，”欣肖说。 “它的力量会减弱。如果它以某种方式减弱，那么最终暗能量的反引力特性就会消失，它会转变回更像普通物质的东西。”
根据该团队的模型，暗能量的排斥力可能正处于数十亿年前可能开始的快速下降之中。
在这种情况下，宇宙的加速膨胀今天已经在放缓。很快，也许在大约 6500 万年内，这种加速可能会完全停止——然后，在从现在开始的短短 1 亿年内，暗能量可能变得有吸引力，导致整个宇宙开始收缩。换句话说，经过近 140 亿年的增长，空间可能会开始缩小。
“这将是一种非常特殊的收缩，我们称之为缓慢收缩，”斯坦哈特说。 “空间没有扩大，而是非常非常缓慢地收缩。”
斯坦哈特说，最初，宇宙的收缩会非常缓慢，以至于任何还活着的地球上的假设人类甚至都不会注意到变化。根据该团队的模型，宇宙需要数十亿年的缓慢收缩才能达到今天大小的一半。
宇宙的尽头？
Steinhardt 说，从那里开始，可能会发生两种情况之一。要么宇宙收缩，直到它在一次大的“紧缩”中自行坍缩，结束我们所知道的时空——或者，宇宙收缩到足以恢复到与其原始条件相似的状态，以及另一个大爆炸——或者一个大的“反弹”——发生了，从旧宇宙的灰烬中创造了一个新的宇宙。
在第二种情况下（Steinhardt 和另一位同事在 2019 年《物理快报 B》杂志上的一篇论文中描述了这种情况），宇宙遵循膨胀和收缩、挤压和反弹的循环模式，不断地坍缩和重塑。如果这是真的，那么我们当前的宇宙可能不是第一个或唯一一个宇宙，而只是在我们之前膨胀和收缩的无限系列宇宙中的最新一个，斯坦哈特说。而这一切都取决于暗能量的多变本质。
这一切有多合理？欣肖说，新论文对精髓的解释是“对暗能量是什么的完全合理的假设”。他补充说，由于我们对宇宙膨胀的所有观测都来自距离地球数百万到数十亿光年的物体，因此目前的数据只能让科学家了解宇宙的过去，而不是它的现在或未来。因此，宇宙很可能正朝着紧缩的方向发展，直到收缩阶段开始很久之后，我们才能知道。
“我认为这真的归结为你认为这个理论有多令人信服，更重要的是，你认为它有多可测试？”欣肖补充道。
不幸的是，没有很好的方法来检验精髓是否真实，或者宇宙膨胀是否开始放缓，斯坦哈特承认。目前，这只是将理论与过去的观察相匹配的问题——作者在他们的新论文中做到了这一点。无论是无尽增长还是快速衰退的未来等待着我们的宇宙，只有时间会证明一切。