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大擠壓

大擠壓亦稱大崩墜（英語：Big Crunch），是一種關於宇宙的終極命運的假說，當中宇宙膨脹將會逆轉，宇宙會重新坍縮、最終使宇宙標度因子歸零。之後，宇宙可能會發生另一次大爆炸。絕大多數證據表明，這假說不會成立；天文觀測結果表明，宇宙膨脹正在加速，而沒有被引力減緩，表明宇宙可能終結於熱寂。[1][2][3]不過，也有新理論認為大擠壓類事件可能通過暗能量波動的方式發生；不過，科學家們對此仍存爭議。[4]

大擠壓說可追溯到1922年，蘇聯物理學家亞歷山大·弗里德曼提出了一組方程，指出宇宙的命運取決於其密度。宇宙或者膨脹，或者收縮，而不會保持穩定。只要有足夠多的物質，引力就能阻止膨脹，最後使其逆轉；這會使宇宙自我坍縮，與黑洞並無太大區別。[5]

大擠壓的最後將充斥着來自恆星和高能粒子的輻射，被凝聚、藍移到更高能量後，其強度足以在恆星碰撞前點燃其表面。[6]在最後時刻，宇宙將變為溫度無窮高的大火球，時空也不復存在。[7]

概覽

大擠壓假說認為，整個宇宙的物質密度足夠高，引力將克服始於大爆炸的膨脹。FLRW宇宙學可根據平均能量密度、哈勃參數與宇宙學常數預測膨脹是否會停止，若停止了，則收縮便不可避免、逐漸加速，宇宙將終結於引力坍縮，變為黑洞。

1990年代末、2000年代初的實驗證據（即作為標準燭光的遙遠超新星的觀測，以及對宇宙微波背景輻射的高解像度繪圖）[8]得出的結論是，宇宙加速膨脹，而非在減速。這一結果榮獲2011年諾貝爾物理學獎。[1]

大擠壓說還引出了所謂大反彈說，即大擠壓之後，宇宙會發生某種反彈，引發下一次大爆炸。[9]這現象可能永恆重複下去，即所謂循環模型。

歷史

教會人士、學者理查德·本特利在準備一場關於牛頓理論和反無神論的演講時，給艾薩克·牛頓寫信：

「倘若我們生活在有限的宇宙中，所有恆星都相互吸引到一起，它們會不會都坍縮到一個奇異點上？又若我們生活在有無限多恆星的宇宙，那麼各方向上的無限多力，會不會影響到所有這些恆星呢？」

這個問題被稱為「本特利悖論」，[10]可以視作大擠壓說的雛形。不過現在人們已經知道，恆星是運動的，並非一成不變的。

 
牛頓《原理》複製本。這本書讓理查德·本特利給牛頓寫了信。[11]

愛因斯坦的宇宙學常數

阿爾伯特·愛因斯坦傾向於完全不變的宇宙模型。1917年，他同荷蘭天文學家威廉·德西特合作，以證明廣義相對論可運行在靜態模型；威廉·的希特證明他的方程可以描述一個非常簡單的宇宙。科學家們最初沒發現問題，於是對其進行了改造以描述宇宙。然而，他們遇到了另一種形式的本特利悖論。[12]

廣義相對論也將宇宙描述為不穩定的，與愛因斯坦發現的信息矛盾。於是愛因斯坦意識到，若宇宙靜止（基於當時的觀測）就需要一種反重力機制，以抵消令宇宙收縮的引力。這會破壞相對論方程。最後他在方程里增加了宇宙學常數項。[13]

哈勃定律的發現

 
哈勃用來發現哈勃常數的散點圖。

在威爾遜山天文台工作的埃德溫·哈勃測量了星系間的距離，並將其與維斯托·斯萊弗、米爾頓·赫馬森測量的與之相關的紅移進行比對，發現天體紅移與距離存在大致的比例關係。哈勃從46個星系的數據中繪製了一條趨勢線，研究並獲得了哈勃常數，他推算得 ，是今日測得哈勃常數的7倍，不過仍證明了宇宙正在膨脹，不是靜止的。[14]

放棄宇宙學常數

哈勃發表自己的發現後，愛因斯坦徹底放棄了宇宙學常數。在其最簡形式中，方程產生了膨脹或收縮的宇宙模型；這與當時表明靜止的觀測結果相悖，這才有了宇宙學常數。[15]宇宙膨脹得到證實後，愛因斯坦稱自己的靜止宇宙是「最大的錯誤」。1931年，愛因斯坦拜訪了哈勃，感謝他「建立了現代宇宙學的基礎」。[16]

之後，愛因斯坦和牛頓的收縮/靜止宇宙模型便被廢棄了。

循環宇宙

「大反彈」說認為，宇宙坍縮之後將回到初始狀態、引發下一次大爆炸，周而復始。這樣，宇宙將永遠存在。[9]

愛因斯坦在1931年曾短暫考慮過這樣的循環模型。

火宇宙模型

 
火宇宙模型的基礎，兩模的描繪。

還有更現代的循環模型。保羅·斯泰恩哈特提出的火宇宙理論認為，宇宙大爆炸可能是兩個平行的軌形平面（稱作膜）在高維空間中相撞造成的。[17]4維宇宙位於其中一膜。碰撞相當於大擠壓，然後是大爆炸。我們周圍的物質與輻射都來自膜之前的量子漲落。一百多億年後，宇宙達到現代狀態；再過幾十幾百億年，它將開始收縮。暗能量對應膜之間的力，使之前理論中的平坦性問題和宇宙暴脹得以解決。循環也可以無限延伸到過去和未來，吸引子可以讓宇宙歷史更完整。[18]

這就解決了早期模型中宇宙因熵的積累而進入熱寂的問題。新模型每個循環後都會出現淨膨脹，從而避免熵的積累。不過，仍有缺陷：理論的基礎——膜仍未得到完全理解，且標度不變譜也可能在大擠壓中破壞。宇宙暴脹和力的一般特徵——或說，在火宇宙模型中膜的碰撞——是產生真空漲落所必須的，是已知的。粒子物理學的候選還沒有出現。[19]

共形循環宇宙學（CCC）模型

 
顯示宇宙周圍不同熱點的CMB地圖。

物理學家羅傑·彭羅斯提出了一種基於廣義相對論的共形循環宇宙學，當中宇宙不斷膨脹，直到所有物質衰變為光子。之後，由於宇宙中沒有任何東西與時間或距離相關聯，這就與大爆炸變得相同（導致一種大擠壓，成為下一次大爆炸，開始下一次循環）。.[20]彭羅斯和Gurzadyan指出，宇宙微波背景中可能可以發現共形循環宇宙的跡象，不過截至2020年，尚未觀測到。[21]

有懷疑指出，為將無窮大宇宙與無窮小宇宙相配，當宇宙變老時，所有粒子都要失去質量；而彭羅斯提出了CCC的證據，即在CMB中存在溫度均勻的環，這是我們這個宇宙周期的標誌，是上一個宇宙周期的黑洞碰撞所產生的球狀引力波造成的。[22]

環量子宇宙學（LQC）

環量子宇宙學在膨脹宇宙和收縮宇宙之間架起了「量子橋」，量子幾何產生了一種全新的力，在低時空曲率中可忽略不計，但在普朗克機制下會迅速上升、壓倒經典引力，解決廣義相對論的奇點問題。一旦奇點得到解決，宇宙學的概念範式也將改變，迫使人們從新角度重審標準問題（如視界問題）。[23]

這模型中，量子幾何使大爆炸被大反彈取代，不需任何假設，也沒有任何微調。環量子宇宙學中的有效動力方法被廣泛用於描述普朗克尺度的物理，以及宇宙的起源。數值模擬證實了有效性，其提供了完整環量子宇宙學的良好近似。研究表明，當狀態在晚期有非常大的量子漲落時，便不會產生廣義相對論描述的宏觀宇宙；而有效動力學在大反彈和晚期宇宙附近會偏離量子動力學。這時，有效動力學會高估反彈時的密度，而仍能很好捕捉定性性質。[24]

來自物理理論的經驗情景

如果暗能量的（主要）解釋是由沿着單調遞減的勢能向下演化的純量場驅動的第五元素形式，且當前數據（特別是對暗能量的觀測約束）真實，那麼在未來1億年的近未來，宇宙的加速膨脹就將變為收縮。據Andrei-Ijjas-Steinhardt的研究，這情景「自然地符合循環宇宙學和最近關於量子引力的猜想」。研究表明，緩慢收縮階段將「持續約10億年，之後宇宙才過渡到新的膨脹階段」。[25][26][27]

影響

保羅·戴維斯構想了大擠壓發生在1000億年後的情景，他的模型中，收縮過程大致與膨脹階段相反。首先，星系團合併，接着是星系。宇宙微波背景（CMB）的溫度開始上升，因為CMB光子會藍移。恆星會變得極近、開始碰撞。待微波背景比M型星更熱（戴維斯模型大擠壓前約50萬年），恆星由於無法散熱，將逐漸自我蒸發。O型星約在大擠壓前10萬年開始蒸發。最後幾分鐘，宇宙的高溫將使原子和原子核破裂、被吸入已經形成的黑洞。大擠壓時，宇宙所有物質都將被擠到無限熱、無限緻密的奇點，類似於大爆炸。[28]大擠壓之後可能會有大爆炸，創造出新的宇宙。

參見

參考文獻

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