关于宇宙的起源,目前有很多理论,其中最著名的要数大爆炸理论,那么宇宙将如何结束呢?实际上宇宙不可能永远的存在下去。

亿万年之后,宇宙将如何终结呢?
科学家们提出以下四种可能性。
宇宙不会永远持续下去,万事万物终究都会有结束的一天。
因为其他恒星与我们地球之间的距离是如此的遥远,光到地球是需要时间的,所以我们收到的光已经是旧的,在某些情况下已经过时了。
这意味着,如果我们的望远镜能够捕捉足够远的宇宙光线,那么我们就可以了解过去的历史。
假想以地球为中心,我们看到的是星系过去比今天更接近地球,而且随着时间的推移,所有的星系都在越来越快地远离地球。
这表明宇宙正在加速膨胀。
科学家们不确定是什么神秘的力量导致了这一点,但科学家们给这种力量起了一个名字:暗能量。
这是某种物质或领域,施加了一种反向重力。
它推挤,而重力拉扯。
但宇宙不能继续膨胀。
不断膨胀的宇宙会最终消散为虚无,如果恒星屈从于热死,那么未来的宇宙会诞生更多的黑洞。
如果宇宙中有足够的暗能量,它就会使所有的东西不断地移动到更远的地方。
星系将不再可见,新恒星将停止形成。
最终,构成一切的原子粒子将会衰变为亚原子粒子,而这些亚原子粒子将原来的位置移动的更远,以至于它们无法再相互作用。
宇宙将是黑暗的,寒冷的,静止的,这就是为什么宇宙也被有些科学家称为“大冻结”。

事实上,“热”的部分仅仅是指它是熵的结果,而不是温度的结果。
对于我们的宇宙来说,这是最有可能的命运。
我们假设暗能量几乎已经稳定下来,成为一个恒力。
但如果没有呢?如果暗能量衰弱到不能抵消重力的程度,则会发生相反的情况。
在大危机中,宇宙的膨胀最终会逆转。
星系会离得越来越近,最终会相互碰撞,在自身引力的作用下崩溃。
宇宙中的所有物质都会自行沉降,直到一切都回到它开始的方向:成为一个奇点,一个无限稠密的微粒。
由于我们对暗能量的认知有限,所以大危机发生的可能性很小。
在宇宙的热死亡中,暗能量或多或少是恒定不变的。
在大危机中,它变弱了。
在大撕裂中,随着时间的推移,暗能量变得更强,这使得星系不仅相互远离,而且从内部开始扩张。
星系、恒星和行星都会被撕裂,最终,暗能量会变得如此强大,以至于会撕裂分子和原子。
2018年7月天体物理学家凯蒂・麦克在NECSS会议上发表演讲,他表示:“如果大裂谷真的会到来,那么它不会出现很长一段时间。
我们至少要用1200亿年的时间来考虑这个问题。
所以目前我们还是安全的。
”虽然后三种情况在数十亿年内都不会发生,但真空衰变随时都可能发生。
它是基于所谓的希格斯场的本质,它渗透我们的宇宙,根据它的潜能变化强度。

我们可以把它想象称瀑布。
你往上爬的越高,水的能量就越多。
当它达到尽可能低的能量时,比如说,进入底部的水池,我们可以将其称之为真空状态。
问题是:宇宙的真空状态有两种可能。
这可能是一个真正的真空,在这种情况下,希格斯场的能量确实是它能达到的最低点。
我们在滑梯底部的游泳池里放松。
但这也可能是一个虚假的真空,在这种情况下,还有另一个我们不知道的低能量状态。
如果一个事件在宇宙中任何时候都有足够的能量发生,暗物质可能会拔掉这个“插头”。
更令人震惊的是,它可能在没有任何刺激的情况下发生:量子粒子有能力使用“隧道”通过一个障碍,无论是从一面墙到另一面,还是从一个真空态到另一个真空态,所以随机量子涨落也可以做到这一点。
那将是非常糟糕的事情,因为真正的真空有着与虚假真空不同的自然常数。
自然界的常数就像电子的电荷或粒子的质量,甚至有时是重力的强度。
所以如果我们拿起我们的分子,把它们放进一个真正的真空态,这些分子就不再结合在一起了。
分子将完全毁灭。
只要有一个孤零零的粒子飞到某个它不应该去的地方,那么现实将不复存在。
它说,一个系统的熵只会随时间增加,不会减少。
这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。
熵,说白了就是无序的程度:熵越低,结构越有序;熵越高,越散乱。
糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉,背后都是熵在增加。
人们相信,宇宙的演化也遵循这条定律。
宇宙早年处于低熵状态,一路演化到高熵。
可就在这个过程中,宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。
星系的熵很低,却是在一个高熵的环境里形成的。
这看起来像是在违反第二定律。
这个存在已久的矛盾,正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。
引力、熵与量子信息的交织,是比安科尼理论的视觉主题(图片来源:Physics World) 在爱因斯坦的广义相对论里,有个叫"度规"的数学对象,描述时空是怎么弯曲的;物质沿着这条弯曲走,就表现成了引力。
而在量子力学里,"算符"是对量子态做变换的数学工具。
比安科尼的关键一步,就是把这个"度规"当成量子算符来用,用量子化的方式描述时空的几何。
这样一来,会冒出两个"度规":一个是"真实"的时空度规,一个是由物质和能量诱导出来的度规。
两者之间"差多少",用量子信息论里的一个量来度量,叫量子相对熵。
正是这两个几何之间的量子相对熵,决定了时空怎么演化——换句话说,它给出的运动方程,就是引力。
在低曲率极限下,这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。
可一旦超出这个极限,方程就得被一个叫"G场"的对象修正。
G场生出一个暗能量项,而且是动态的。
暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西;在标准广义相对论里,它由静态的宇宙学常数驱动。
现在冒出一个动态的暗能量项,就有了被实验检验的机会。
比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克(FRW)宇宙模型上。
这是广义相对论对宇宙行为的一级近似,假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。
膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质,或辐射。
宇宙膨胀时,体积变大,总熵也跟着变大。
但正因为体积涨得更快,单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。
总熵在涨,局部熵密度却在降,这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。
那这算不算违反第二定律?比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵:要把熵密度在整个时空区域上积分,而因为体积随时间变大,总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。
所以对辐射主导和物质主导的宇宙,总熵依然随时间增加,第二定律照样成立,尽管局部熵密度在下降。
比安科尼强调,GfE 理论还很年轻,需要实验来验证。
但这项工作揭示了它内在的热力学本质,为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述,也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。
引力,也许并不是什么神秘的基本力,而只是信息与熵的必然结果。
若真如此,宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命,答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。
来源:S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究:G. Bianconi, Physical Review D.
每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。
这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀,并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。
左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图;右图外圈显示宇宙微波背景辐射,扇区分别展示视线速度(红/蓝)、物质密度(灰)和引力势(绿/蓝)。
图片来源: 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为,极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。
这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度,留下微小的密度差异;随后,引力把这些差异不断放大,最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。
然而,暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。
通过研究物质在宇宙中的分布,有望找到更多线索,探索宇宙最早期的秘密。
暗物质无法被望远镜直接看见,却凭借引力主导星系形成,并塑造更大尺度的宇宙结构。
在模拟中,暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”,团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。
标准宇宙暴胀模型预测,早期宇宙的密度涨落服从高斯分布,也就是最简单的一类随机模式。
科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差,即“原始非高斯性”。
一旦发现可测量的偏差,就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程,从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。
然而,这类信号极其微弱,还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积,统计不确定性难以完全消除。
因此,探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。
而如此规模的模拟对算力要求极高。
团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。
模拟及大部分数据分析约4天完成,目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。
这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目,包括美国能源部支持的暗能量光谱仪(DESI)和NASA的SPHEREx任务,两者目前均处于数据采集阶段。
模拟与前沿观测相互印证,将共同描绘出更为精细的宇宙图景,推动人类对宇宙起源与演化的探索。
来源:科技日报