宇宙將停止膨脹，開始塌縮？

近日，物理學家提出了一個新的「宇宙塌縮」機制，預測宇宙很快就將停止膨脹，開始塌縮，同時我們所知的一切物質也將因此消失。他們的計算表明，宇宙的塌縮「即將來臨」——在宇宙尺度上，約為百億年之後。這一結論對普通人來說似乎沒什麼意義，但對物理學家來說意味著很多。

船底座星雲中孕育恆星的區域——南天柱（South Pillar）。紅外線望遠鏡「撥開」這片混沌的星雲，像打開西瓜尋找種子一樣，探索隱藏在厚厚的塵埃柱內部的原始恆星。

在發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters，PRL）的這篇論文中，加州大學戴維斯分校的物理學家Nemanja Kaloper和諾丁漢大學的Antonio Padilla提出了宇宙塌縮的機制，並分析了其背後暗含的意義，包括對暗能量的解釋等。

「我們現在已經探測到暗能量的事實可以作為宇宙塌縮即將來臨的指示之一，而且我們正嘗試對數據進行分析，演算出最終的日期，」Antonio Padilla說，「早前的結果表明，宇宙塌縮將在數百億年內發生，但我們還需要進行更準確的驗證。」

論文的重點並非宇宙終結將在什麼時間發生，而是指出這一塌縮機制將幫助解決一些未解的物理學難題，尤其是宇宙為什麼在加速膨脹，以及暗能量如何影響這種加速？這些問題與宇宙常數問題有關，即引起宇宙膨脹的真空密度預測值比實際觀測到的高很多。

「我認為，我們已經開闢了一條通往所謂『所有物理學問題之母』——即宇宙常數問題——的全新途徑，」Antonio Padilla說，「現在說（塌縮機制）能否經得起時間考驗還為時過早，但截至目前它已經受到了許多關注，並有可能解決標準模型提出的真空能量貢獻問題，以及這些能量如何受引力作用的問題。」

宇宙塌縮機制建立在物理學家之前有關真空能量問題的研究基礎之上，而真空能量密度本來就是為了解決宇宙常數問題。真空能量的封存動態預測了宇宙最終將塌縮，但並未提供塌縮如何發生的確切機制。

根據新提出的機制，宇宙是在一系列特殊的起始條件下起源的，它自然演化到如今的加速狀態，並將繼續這一過程，直到塌縮。宇宙經歷了一段「慢滾」（slow roll）時期，進入我們現在所看到的加速膨脹狀態，但它最終將停止膨脹併到達一個轉折點，然後開始收縮，最終形成與大爆炸相對的「大擠壓」（big crunch）。

我們知道，宇宙的年齡大約是138億年。如果要使新提出的塌縮機制合理運作的話，加速膨脹的時間必須至少持續至今（當然，一個預測宇宙已經塌縮的機制明顯不對）。在科學家的方程中，一個斜率值的選擇將對塌縮時間的估計產生巨大的影響。這個斜率具有非常小的正值，大約為10-39，這意味著宇宙演化的速度非常緩慢。

最重要的是，科學家並不是為了符合所觀測到的膨脹速度，或者為了支持他們提出的機制而選擇斜率的值。相反，科學家解釋稱這一斜率值是「技術上很自然的」，並且是由於理論中的對稱性才取的這個值。

根據科學家的解釋，該機制的自然屬性使其成為第一個在沒有任何直接微調情況下預測了膨脹加速的模型。在該機制中，斜率的值就控制了宇宙的演化，包括其加速膨脹的程度。

「『技術上自然』的斜率值控制了塌縮啟動開始佔據主導地位的時間，但它是否保證了慢滾時期的出現，以及隨之而來的加速膨脹？」Antonio Padilla說，「有人或許會天真地想，可以通過微調某些初始條件來保證這些結果的出現，但情況顯然不是這樣。真空能量封存的動態保證了慢滾時期的存在。」

目前這一理論尚處於早期階段，物理學家希望在未來獲得更加充實的依據。「還有很多事情要做，」 Antonio Padilla說，「目前我們正致力於以一種更加『接地氣』的方式來描述這一理論，使它更加符合傳統理論，與量子理論的一些關鍵原則（如態疊加原理）更加契合。我們將針對這一理論設計更多的檢驗方法，包括宇宙學和天體物理學等方面。在更長的時期內，我們希望能了解這一理論與一些更加基礎的理論，如弦理論之間的關聯。當我們考慮到量子引力對真空能量的修正時，了解其中發生了什麼也很重要。」

的確，科學家還需要進行更多的工作。論文的結論中如此寫道：「目前宇宙的加速膨脹或許正是塌縮即將到來的證據……通過詳細的分析，對這些預測進行量化無疑是必要的。」

（編譯：任天）

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