宇宙会一直膨胀下去吗？还是最终坍塌又回到了起点

我们知道的宇宙的最早阶段始于热大爆炸，爆炸中的宇宙充满了高能粒子、反粒子和辐射。但是，为了建立这样一个宇宙，我们需要一个由宇宙本身固有能量所支配、以指数速率膨胀并最终衰减的时期，从而产生一个充满物质、反物质和充满辐射的宇宙。

• 图注：遥远宇宙的最深处的景色显示星系被暗能量推开。这些暗能量能否与首先引发一切的膨胀现象联系起来？

如今，在膨胀结束之后的138亿年后，宇宙中的物质和辐射变得如此稀疏，密度如此之低，以至于发现了一个新的成分：暗能量。 暗能量是空间本身固有的能量，并且正在使宇宙以指数速率膨胀。尽管暗能量和膨胀之间存在一些差异，但也存在一些独特的相似之处。这两种现象可能相关吗？如果是的话，这是否意味着我们的宇宙的开始（起点）和结束（终点）是相连的？

• 图注：在膨胀期间，在量子尺度上，时空本身的波动会拉长整个宇宙，导致密度和引力波的不完美。

如果有两种完全不同的力或机制使宇宙膨胀，那就对我们来说是很奇怪的：十亿年前和今天。但是，谈到宇宙，有很多事情对我们来说似乎很奇怪。首先，宇宙肯定正在膨胀，但这不需要任何类型的力量。实际上，当您选择像我们自己的宇宙时，即为：

• 由爱因斯坦的广义相对论支配，
• 充满了物质、辐射和您喜欢的任何其他'东西'，
• 平均而言，在所有位置和所有方向上都差不多（各向同性），

您得出一个有趣而又不舒服的结论。爱因斯坦本人在相对论本身的最初几年就首次得出了这一结论：这样的宇宙天生就不会因引力坍塌而变得不稳定。

• 图注：随着时间的流逝，在引力的影响下，一个几乎统一的宇宙，将形成一个宇宙结构网。

换句话说，除非您为问题构想出一些'神奇的解决方案'，否则您的宇宙将不得不膨胀或收缩，而这两种解决方案都是可能的。除非您编造出某种新型的力量，否则做不到让宇宙保持静止。

当然，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）的工作还没有完成。除了不知道宇宙正在膨胀之外，我们甚至都不知道天空中的那些螺旋形状天体是我们自己银河系中的物体，还是它们本身就是另一个星系。因为爱因斯坦当时最喜欢静态的宇宙（就像大多数人一样），所以他做了一个临时性的修复以使宇宙保持静态：他引入了宇宙常数的概念。

爱因斯坦场方程，其宇宙常数作为最后一项包括在左侧。

爱因斯坦相对论的中心思想是等式有两个方面：物质和能量方面，以及时空方面。它说物质和能量的存在决定了时空的曲率和演化，而时空弯曲和演化的方式决定了其中每个物质和能量量子的命运。

宇宙常数的添加是这样说的：'空间自身固有的这种新型能量，会导致宇宙的结构以恒定速率膨胀。'因此，如果有引力，那么所有物质和能量都在使宇宙崩溃，而当您拥有这个宇宙学常数来使宇宙膨胀时，您毕竟可以得到一个静止的宇宙。您所需要做的就是使这两个比率匹配，并准确地相互抵消。

• 图注：如果宇宙是完全统一的，或者如果一切都完美地分布，那么就不会形成大规模的结构。 但是，任何微小的瑕疵都会导致结块和空隙，正如宇宙本身所显示的那样。

事实证明，宇宙正在膨胀，那里并不需要一个宇宙常数来抵消引力。取而代之的是，存在一个初始条件，即宇宙开始非常迅速地膨胀，从而抵消了来自所有物质和能量的引力。宇宙没有收缩，而是在膨胀，膨胀速度正在放缓。

现在，有两个自然要问的问题，实际上是自20世纪20年代的发现以来要问的问题，在此之后：

1. 是什么导致宇宙早日开始以这种迅速的速度扩张？
2. 宇宙的命运将是什么？ 它会永远扩展吗，会最终反转并崩溃，会在这两者的边界上，还是其他？

• 图注：宇宙的不同命运。 实际的，加速的命运如右图所示。大爆炸本身并没有解释宇宙本身的起源。

一个半世纪以来，第一个问题一直没有得到解答，尽管有趣的是，威廉·德·西特（Willem de Sitter）立即提出了最初的建议，认为这是一个宇宙常数，才导致这种膨胀开始。

• 图注：以前被认为仅来自宇宙学常数，但阿兰·古斯（Alan Guth）在1979年底的启示导致宇宙膨胀的诞生，以此作为一种'爆炸'宇宙的方法。

最终，在1980年代初期，出现了宇宙膨胀理论，提出了指数膨胀的早期阶段，其中宇宙被非常类似于宇宙常数的东西所支配。

现在，它不可能是真正的宇宙常数（也称为真空能），因为宇宙不会永远保持这种状态。取而代之的是，宇宙可能处于虚假的真空状态，在该状态下，空间本身具有一些固有的能量，然后衰减到较低的能量状态，从而导致物质和辐射出现：炽热大爆炸！

• 图注：大型结构在通货膨胀及其预测（L）产生的宇宙中形成的形式与在宇宙弦控制网络（R）中产生的形式不同。

关于宇宙膨胀还有许多其他预测，除其中一项外，所有其他预测都已得到确认，因此我们接受宇宙中的早期阶段确实存在。

但是，当我们转向第二个问题时，即关于宇宙的命运，我们会发现一些非常奇怪的东西。尽管我们曾预计，初始的、快速的膨胀与引力对宇宙中所有物质和能量的作用之间会存在某种竞赛，但我们发现，存在一种新的能量形式：被称为暗能量的东西。你不知道吗？ 据我们所知，这种暗能量似乎具有与宇宙常数相同的形式。

• 图注：宇宙遥远的命运提供了许多可能性，但如果暗能量确实是一个常数，正如数据所表明的，它将继续沿着红色曲线前进。宇宙遥远的命运提供了许多可能性，但如果暗能量确实是一个常数，正如数据所表明的，它将继续沿着红色曲线前进。

现在，这两种类型的指数扩展（早期类型和晚期类型）在细节上非常不同。

• 宇宙早期的通货膨胀期持续了不确定的时间-可能短至10 ^ (-33)秒，可能长达几乎无限长，而今天的暗能量在60亿年中一直占主导地位。
• 早期的膨胀状态异常迅速，宇宙膨胀率约为今天的10 ^ 50倍。相比之下，当今的暗能量约占当今膨胀率的70％。
• 早期状态一定以某种方式与物质和辐射耦合。 假设量子场论是正确的，在足够高的能量下，必须存在某种' 暴涨中（inflaton）'粒子。而晚期暗能量根本没有已知的耦合。

话虽如此，也有一些相似之处。

宇宙的四种可能的命运，只有最后一个与我们的观测结果相符。

它们都具有相同的（或不可区分的）状态方程，这意味着两者的宇宙尺度和时间之间的关系是相同的。

它们在广义相对论中引起的能量密度和压力之间具有相同的关系。

它们都会导致宇宙中同一类型的膨胀——指数膨胀。

• 图注：插图的'开放漏斗'部分表示指数膨胀，该膨胀既发生在开始时（在暴涨过程中），也发生在结束时（当暗能量占主导时）。

但是它们有关系吗？ 这很难说。当然，原因是我们对任何一个都不甚了解！当我想到膨胀时，我喜欢想象一个2升装的半汽水苏打水瓶。我想象一滴油漂浮在内部液体的顶部。这种高能量状态就像膨胀期间的宇宙一样。

• 图注：如果膨胀像从一个满满的汽水瓶的'顶部'开始，那么暗能量就像是意识到您的汽水瓶底部并不完全是空的。 在这两种情况下，空间本身有一种固有的能量。膨胀的因素要大得多，但暗能量的影响非零。

然后发生某种事情，导致液体从瓶子中排出。当然，油会以低能耗状态沉入底部。

但是，如果该液滴的上升不是在最底端开始的——非零，而是某个有限的非零值（例如希格斯场对称性破裂时）——这可能是暗能量的原因。将这两个场（膨胀场和暗能量场）联系在一起的模型通常被称为典型模型。

建立有效的典型模型非常容易。问题是，很容易制作出两个单独的模型，一个模型用于膨胀，一个用于暗能量模型也可以工作。我们有两个新现象，它们要求至少引入两个新的'自由参数'才能使该理论起作用。您可以将它们绑在一起，也可以不绑在一起，但是这些模型绝不能区分开。

暗能量演化过多的模型（即w≠-1可以用数据排除）

到目前为止，我们所能做的就是排除某些类型模型，在这些模型的早期或晚期中，膨胀率与观察值不一致。但观测结果也与通货膨胀本身是一致的，暗能量来自完全不同的来源。我讨厌对我们所知道的事物进行全面的解释，让一种现象（膨胀）发生在大约10 ^ 15 GeV的能量范围内，而让另一种现象（暗能量）发生在大约1毫电子伏特的能量范围内，然后不得不说'我们不知道它们是否相关'，但这就是现实情况。

不幸的是，即使我们有许多拟议詹姆斯·韦伯、WFIRST，LISA和ILC等先进的天文望远镜的任务，我们也不会期望很快从数据中得到答案。我们最大的希望是理论上的突破，目前作为专注研究该问题科学家们人，也不知道他们如何到达那里。