新发现宇宙或很快停止膨胀并收缩，咋回事？人类面临危险？

　　1998年，科学家发现并得到了大批高红移Ia超新星数据，这些数据证明：我们的宇宙正在加速膨胀！与此相关的三位物理学家，也因此荣获了2011年的诺贝尔物理学奖。然而最近一篇发表在《美国国家科学院院刊》上的论文表示：我们的宇宙可能＂很快＂停止膨胀并收缩！
　　论文名为《Rapidly descending dark energy and the end of cosmic expansion》（直译为：暗能量迅速下降，宇宙膨胀的结束），三位作者凭借过去对宇宙膨胀的观测数据，在他们所建立的物理模型中发现：暗能量对膨胀所起到的作用正在逐步衰减，目前所处的加速膨胀阶段很可能会在6500万年内迅速结束，1亿年后宇宙将开始收缩。
　　宇宙收缩
　　新泽西州普林斯顿大学科学中心主任Paul J. Steinhardt（也是论文的三位作者之一）表示：整个过程将非常迅速的发生，因为在宇宙历史上，6500万年非常短。（我们知道，依据大爆炸模型，宇宙目前的年龄约为138亿岁，而6500万年，或者说1亿年吧，不过是1/138，如果类比于一个80岁寿命的人类，1亿年只相当于7个月而已）
　　不过来自哥伦比亚大学的物理学教授Gary Hinshaw也表示：理论上这没有什么争议，但考虑到人类对暗能量性质的了解还并不足够，因此目前也只能保留在理论阶段。到底咋回事？
　　想必许多朋友都感到困惑，虽然对于宇宙本身而言，6500万年或1亿年确实不算久，但对于人类而言，论文结论就几乎成了一个无法验证的事情，那么物理理论是怎么预测如此久远的事情呢？
　　既然涉及宇宙的演化，那自然是少不了爱因斯坦的广义相对论！事实上这些结论也都是建立在广义相对论这个大基础上才有的，所以我们循序渐进，先简单介绍一下广义相对论，便于后续理解。广义相对论
　　我们都知道牛顿发现了万有引力定律，给出了任意两个物体之间的引力与距离的定量关系，然而在爱因斯坦想让万有引力定律融合进狭义相对论时，却发生了无法调和的困难，这说明牛顿的万有引力定律是不完备的，为此爱因斯坦花费了10年时间，终于在1915年提出了广义相对论。
　　引力不再作为一种力的存在，而成了一种时空弯曲的几何效应，广义相对论中最核心的引力场方程体现了其核心，用物理学家惠勒的一句话来讲，那就是：物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。
　　而广义相对论也陆续在光线弯曲、水星近日点进动等方面取得了实验与理论解释上的成功，很显然广义相对论的用武之处就是浩瀚无垠的宇宙。宇宙是膨胀还是收缩
　　关于这个问题，爱因斯坦本人在1917年就做了研究，或者说为自己的信念而利用广义相对论佐证了一番。由于宇宙过于浩瀚，因此想要研究宇宙的走向，就必须知道物质分布的情况，为此爱因斯坦提出了宇宙学原理，简单来讲：任一时刻下，宇宙空间在大尺度上是均匀且各向同性的。（只能是大尺度，小尺度上显然不是这样）
　　2度视场星系红移巡天所得图像
　　因为他本人当时无比坚信静态宇宙观，于是便想利用引力场方程求得一个静态解，然而事实却是静态解不存在，于是爱因斯坦来了一个神操作，强行在数学层面插入了一个被称为＂宇宙常数＂项，以此得到了一个静态解，也就是著名的＂爱因斯坦静态宇宙度规＂，空间可用三维球面几何描述，有限而无界是其主要特征。
　　含宇宙常数项的引力场方程
　　然而随着1929年哈勃凭借其多年的观测数据，证实了遥远星系红移现象，并发表了哈勃定律，指明距离越远的星系，其退行速率越快，进而证实了宇宙目前确实在膨胀而非静态。而爱因斯坦本人没过几年也亲自承认了当初添加宇宙学常数是一个错误的决定。
　　埃德温·哈勃FLRW度规
　　一个理论被提出，研究它的人绝不仅仅局限于提出者本人，就在爱因斯坦当初为了静态宇宙而强行加入宇宙学常数时，另一位物理学，来自俄国的物理学家弗里德曼（后来是苏联，虽然苏联成立后没几年，弗里德曼就去世了）就直接用原版的引力场方程来研究宇宙的走向。
　　弗里德曼
　　首先，仅需要宇宙学原理一条，就可以得到后来被称为＂FLRW度规＂一个描述时空几何的度规形式（何为度规？简单来讲，就是度量规则，就像直角坐标系中，线段长度可以由xy轴简单描述一样）。
　　度规中存在两个变量，分别是曲率k和尺度因子a，二者的取值不同决定了宇宙的形态和走向，但二者如何取值则取决于实际观测以及理论模型。
　　FLRW度规
　　在暗能量还没有被发现之前，物理学家们认为宇宙中存在两样东西，一个是物质，一个是辐射，因而物质和辐射的能动张量就是整个宇宙的能动张量（什么是能动张量，你可以理解为牛顿引力论中的质量，因为质量存在，才导致引力，虽然在广义相对论中，时空弯曲的条件不仅仅局限于质量），如此便可以预测宇宙的走向。
　　简单说一下物质和辐射，因为是建立在宇宙学原理的基础上，我们看待宇宙的视角要拉得很广，所谓物质，就是那些静质量非零的一切物体，而辐射就是静质量为零的物体，因此诸如星系这样的东西，都全部视为一个质点，就整体而言视为理想流体，具有能量密度；与此类似，所有辐射也视为理想流体，但不同的，辐射除了能量密度，还有压强的存在（数值上，压强是能量密度的三分之一）。
　　宇宙总能动张量
　　这样一来，宇宙的能动张量就能表达出来了，而弗里德曼最早研究的是物质宇宙（也就是宇宙中只有物质没有辐射），按照物质密度与宇宙临界密度的关系，有如下三个结论：
　　①物质密度大于临界密度，此时曲率为正，宇宙会从膨胀转为收缩（并不是标题所言的情况，因为二者前提不一样，下文会讲到），最终变为奇点状态；②物质密度等于临界密度，宇宙是膨胀的（减速膨胀），曲率为零；③物质密度小于临界密度，宇宙仍旧是膨胀（减速膨胀），但曲率为负。
　　暗物质与暗能量
　　虽然弗里德曼研究的是纯物质宇宙，但实际上在考虑物质与辐射二者都有的情况后，宇宙的走向大体上仍与纯物质宇宙类似，所以科学家们就要想办法获取宇宙物质密度与临界密度，因而就得获取星系的质量数据，然而在这个过程中却意外发现了不寻常的地方。
　　按照常规理解，星系外缘的旋转速度应该随半径的增长而变慢，但实际观测却发现星系外缘的速度似乎与半径关联不大（如下图），想要解释这一点，只能认为星系外面存在着大量不发光，但具备引力作用的物质，科学家称其为暗物质。
　　就在科学家为暗物质是个啥感到困惑时，1998年传来了观测数据证实宇宙在加速膨胀的消息，而这一点直接导致了暗能量的诞生，顺带着宇宙常数问题又再次浮出水面，因为加速膨胀很可能意味着宇宙常数非零，这到底是为啥呢？
　　加速膨胀和宇宙学红移
　　因为无论是物质还是辐射都无法解释加速膨胀，因为它们没法产生斥力！
　　按照广义相对论，只有当压强小于零时，才有斥力的可能，而之前说的物质与辐射，它们的压强一律为正或等于零。所以只能认为宇宙中还存在着一种人类未知的事物，称其为＂暗能量＂。
　　而当宇宙常数为正时，正好可以在理论上解决加速膨胀问题，但事实却告诉我们，现在实测得的宇宙常数数值与理论值相差极大，而且宇宙早期和晚期之间，宇宙常数密度参数占比也反差极大（早期的时候，密度参数几乎全都是由物质与辐射贡献，而到了晚期则几乎全由宇宙常数贡献），这到底是怎么回事？动力学暗能量可以导致宇宙停止膨胀并收缩
　　为了解决上述问题，科学家们提出了动力学暗能量解决办法，简单来讲，就是认为宇宙常数不再是常数，而是一个随时间变化的量，它只是任一段时间内近似常数，如此一来，事情就变得复杂起来。
　　宇宙有可能会继续加速膨胀，并且越来越快，永不停止；也有可能会因为暗能量随时间增加而减弱，于是加速膨胀就逐步变为减速膨胀；也有可能会在此基础上，演变为能量密度小于零，压强大于零的状态，此时宇宙就停止膨胀转为收缩；甚至还有可能出现＂膨胀—收缩—再膨胀......＂这样的过程。
　　左边膨胀 右边收缩
　　很显然，文章开头提到的论文，他们的物理模型就是涉及了动力学暗能量（实际上论文作者之一的Paul J. Steinhardt曾在1998年的《物理评论快报》上提出过这一想法）。人类会因此面临危险吗？
　　实际上这个问题也需要从两个方面回答：
　　①虽然6500万年或1亿年对于宇宙而言，并不算长，但对于人类这个物种而言，这几乎就是一段极度极度漫长的时间，因为我们这个物种不过才几百万年的历史，因而宇宙停止膨胀或者收缩，似乎可以认为对人类是没有危险的。
　　②但万一人类这一物种真的在地球上延续下去了呢？毕竟恐龙还存在了1.6亿年的时间呢
　　考虑到最恶劣的情况，因为宇宙走向的变更也就是度规的变化，一个简单的例子，前两年，科学家们检测到了引力波，但因为引力波源离地球过于遥远，因此人类自身毫无感觉，只有高精度仪器能检测到，但实际上引力波所及之处，就意味着时空的变化，如果足够强烈，完全可以把人体破坏（挤压或者撕裂）。
　　激光干涉引力波天文台
　　如果模型成立，未知但有限时间后，宇宙收缩注定会影响银河系、太阳系、地球，毕竟你要知道其中的一种可能，那就是收缩到极致，就会重新变成奇点了，地球啥的早灰飞烟灭了，人类更不用说了。
　　当然，根据该论文作者的说法：刚收缩时，是很缓慢的，需要数十亿年，宇宙才会收缩一半。（由此可见，其实最危险的反而是咱们的太阳，毕竟它内部核聚变燃料有限，随着时间推移，其光度会增加，地球将热到液态水无法存在，最后会还会变为红巨星，地球可能会被其吞掉）。