宇宙膨胀到足以撕裂一切，这是怎么发生的？

　　几乎没有什么问题可以让我们在晚上思考整个宇宙的最终命运。这些恒星将会燃烧殆尽，被新的恒星所取代，而新的恒星本身也会燃烧殆尽，直到宇宙耗尽燃料为止。星系将合并在一起并喷射物质，而束缚星系、星系群和星系团之间的空间将永远扩大。暗能量使这种扩张不仅是无情的，而且是加速的。这就是必然的结局吗？
　　＂大撕裂＂会不会导致另一个＂大爆炸＂？当宇宙膨胀到足以将原子撕裂然后是夸克撕裂。在这一点上，宇宙会创造一个夸克胶子汤吗？
　　没有什么比宇宙的命运更岌岌可危了。
　　遥远的星系正在加速远离我们。最终，我们将不再从他们那里接收到来自某一点以外的光。但暗能量的价值并不需要像许多人所说的那样完美地微调。它可以是一个常数，也可以以多种方式变化。
　　当你在宇宙中随意观察一个遥远的星系时，你会发现它的光的颜色比你从我们星系内的恒星看到的光更红的可能性非常大。追溯到20世纪20年代，科学家们注意到了一种普遍存在的关系：一个星系离你越远，平均来说，光变得越红。在广义相对论的背景下，人们很快理解到，这很可能是由于空间本身的结构随着时间的推移而扩大。
　　1929年对哈勃宇宙膨胀的最初观测，随后是更详细的，但也不确定的观测。右，罗伯特·P·克尔什纳；左，埃德温·哈勃
　　那么，下一步就是精确地量化宇宙扩张的速度，以及这种扩张随着时间的推移是如何变化的。从理论的角度来看，这之所以如此重要，是因为宇宙的膨胀历史决定了其中的内容。如果你想知道你的宇宙，在最大的尺度上，是由什么组成的，测量宇宙是如何在整个宇宙时间中扩展的，这是一个到达那里的必经之路。
　　如果你的宇宙充满了物质，你会发现膨胀速率会随着体积的增加而下降，这与物质稀释的程度成正比。如果它充满了辐射，你会发现它的速率下降得更快，因为辐射本身会红移，失去额外的能量。具有空间曲率、宇宙弦或空间本身固有的能量的宇宙，将根据所有不同的能量成分的比率而演变。
　　一个明显的膨胀速率(y轴)与距离(x轴)的图与过去的宇宙膨胀速度是一致的，但是在今天遥远的星系在衰退中正在加速。这是哈勃原著的现代版本，比哈勃原著延伸了数千倍。请注意，这些点不是一条直线，表示扩展速率随时间的变化。
　　根据我们所能进行的一整套测量，包括变星，星系的不同类型和性质，以及Ia型超新星，以及宇宙微波背景和星系聚集和关联，我们已经能够准确地确定宇宙是由什么组成的。具体而言，它包括：
　　68%的暗能量。27%的暗物质。4.9%的正常物质。0.09%的中微子。0.01%的辐射。每个数字上都只有几个百分点的不确定性。
　　宇宙的预期命运(前三幅图)都对应于物质和能量对抗初始膨胀速率的宇宙。在我们观察到的宇宙中，宇宙加速是由某种类型的暗能量引起的，到目前为止，这种暗能量是无法解释的。所有这些宇宙都受弗里德曼方程的支配，这些方程将宇宙的膨胀与宇宙中存在的各种类型的物质和能量联系起来。
　　我们的宇宙被暗能量所支配是特别有趣的，因为这是宇宙中不必存在的组成部分，更不用说支配了。然而，在大爆炸138亿年后的今天，我们生活在一个由暗能量控制着宇宙膨胀的宇宙中。
　　围绕着暗能量有很多问题，包括它的本质是什么，是什么形成的原因，以及它是恒定的还是会随着时间的推移而进化。这里还有一点摇摆的空间，但是所有的观察结果都是一致的，它是一个宇宙学常数。换句话说，它看起来就像是一种新的能量形式，是空间本身所固有的。随着宇宙的膨胀，它创造了新的空间，所有的空间都包含相同的、均匀的暗能量。
　　虽然物质、辐射和暗能量的能量密度是众所周知的，但在暗能量的状态方程中仍然有很大的摆动空间。它可能是一个常数，但随着时间的推移，它的强度也可能增加或减少。
　　从理论的角度来看，有许多已知的方法可以生成一个宇宙常数，因此只要数据与之一致，解释就很可能会继续被人们所接受。但是没有理由认为暗能量不会比这更复杂。
　　它可能会随着时间的推移而变得稀薄，密度越来越小，尽管是轻微的。它可能是在遥远的未来逆转迹象的东西，导致宇宙在一个大收缩中的再一次消失。也可能是随着时间的推移而变得更强的东西，随着时间的推移，宇宙以越来越快的速度扩展。这是最后一种可能导致大撕裂的情况。
　　暗能量可以不同的方式进化到未来。保持不变或增加强度(变成大撕裂)可能会使宇宙恢复活力，而暗能量减少可能会导致大坍缩。
　　当我们谈论宇宙中能量的任何组成部分时，我们谈论的是它的状态方程，它描述了它是如何随时间在宇宙中演化的。天体物理学家为此指定参数w，其中w=0表示物质，w=1/3表示辐射，w=-1表示宇宙常数。
　　暗能量似乎有w=-1，但那里有一些回旋的空间。例如，一个合作组织的新论文发布了关于暗能量状态方程的新约束。虽然它似乎与w=-1非常一致，但也有一些迹象表明，它可能比这稍微小一点。如果结果是w<-1而不是等于它，那么大撕裂是不可避免的。
　　宇宙的预期命运是一种永恒的加速膨胀，对应于w(在y轴上)＝-1。如果w＞-1，正如一些数据所支持的那样，我们的命运将会是一次大撕裂。
　　如果大撕裂是真的，那么宇宙不仅在膨胀(这与暗能量无关)，而且随着时间的推移，远处的物体似乎会以越来越快的速度离我们越来越远(这是由于暗能量而发生的)，但是，通过任何基本力连接在一起的物体最终将被不断增强的暗能量撕裂。
　　在未来的数十亿年里，我们在本星系群中将看到本星系群外围的恒星被抛入太空，因为它们将不再受我们遥远未来星系的引力的束缚。随着时间的推移，越来越多的恒星将向外抛掷，最终消除我们所知的星系结构，并将我们变成一个由数十亿颗未绑定的恒星和恒星尸体组成的集合。
　　随着时间的推移，随着暗能量的不断增强，行星将被从它们的恒星系中喷射出来，甚至行星本身也将被撕裂。在最后时刻，被原子力和分子力聚集在一起的物体将被撕裂，电子将被从原子中剥离，原子核将被分裂，甚至夸克本身也将彼此分离。如果有什么东西是由夸克组成的，它们也会被撕开。
　　如果大撕裂是正确的，那么宇宙中的一切都将减少到它的最基本的组成部分，类似于某种奇怪的平行于大爆炸的最初阶段。
　　早期宇宙的夸克胶子等离子体将非常类似于在大撕裂的最后时刻产生的夸克胶子等离子体。尽管我们经常把夸克、胶子和电子等粒子表示为三维球体，但我们所做过的最好的测量表明，它们与点粒子是无法区分的。
　　但是这是一个非常不同的夸克胶子等离子体，不同于大爆炸开始时的夸克胶子等离子体。首先，大爆炸的特征是热和密集的状态，但大撕裂将是一个非常冷和稀疏的状态。另一方面，大爆炸的特点是宇宙中的所有物质和能量都被压缩成一个很小的空间，但在大撕裂中，它将分布在数万亿光年中。再者，大爆炸代表着一个相当低的熵的状态，但是大撕裂的熵将比大爆炸时的熵大10^35倍。
　　但是，还是有希望的。
　　暗能量，如果它导致大撕裂，可以循环宇宙。如果暗能量增加强度，这真的是空间结构本身固有的能量，可以完全类似于我们宇宙历史上的早期阶段，在那里空间以令人难以置信的速度膨胀：宇宙膨胀。膨胀从宇宙中移除了所有先前存在的物质和能量，只留下了空间本身的结构。经过一段时间的膨胀后，这种能量以某种方式转化为粒子、反粒子和辐射，并导致了热大爆炸。这个场景已经被探索过了，它被称为＂复兴的宇宙＂。
　　在膨胀期间发生的量子涨落在宇宙中被拉伸，当膨胀结束时，它们变成密度涨落。随着时间的推移，这导致了今天宇宙中的大尺度结构，以及CMB中观察到的温度波动。
　　如果大撕裂是真的，它应该简单地撕裂所有的物质，导致一个非常空的宇宙。如果我们把这个能量推断到可以想象的最高能量，空间本身就会被撕裂，这就是为什么它被称为＂大撕裂＂(Big Rip)。但也许有一个分界线，也许还有另一个转变。如果这是我们的宇宙正在走向的方向，那么大撕裂可能不是最后发生的事情；相反，它可能是一个全新的宇宙诞生的前奏。
　　也许事实就是这样：所有这一切都曾经发生过，而且还会再次发生。