我们宇宙的终结会产生一个新的宇宙吗

当我们提出问题时，只有几个问题使我们不得不考虑存在的基本本质。我们的宇宙从何而来？有什么东西可以离开我们的宇宙吗？如果是的话，它还会在其他地方重新出现吗？我们是否真的受热力学第二定律的约束，表明无论我们做什么，还是存在漏洞，熵都必须在我们的宇宙中永远增加？最后，一旦我们的宇宙热寂灭了，物质、能量、空间和时间将会发生什么？当我们的宇宙结束时，新的宇宙会在所有新的空白空间中开始吗？

上图：彭罗斯（Penrose）关于共形循环宇宙学的想法假设，我们的宇宙起源于一个已经存在的宇宙，该宇宙将在今天的宇宙中留下印记。这是膨胀的一种引人入胜且富于想象力的替代方法，但尽管彭罗斯（Penrose）怀疑确实如此，但数据并不能证明这一点。 但是，其他“重生”场景仍在起作用。

这是一种令人着迷的可能性，我们必须考虑这一可能性。这就是我们今天所知道的关于宇宙重生的机会。

当我们将它们组合在一起时，有两个非常强大的工具可以使我们了解组成宇宙的是什么。第一个工具是爱因斯坦的广义相对论，尤其是统一地用“东西”填充的宇宙的精确解决方案。第二个工具是能够确定宇宙历史上不同时间点与各种物体之间的距离和后退速度。

仅基于这些工具，我们可以得出以下结论：

宇宙是由什么组成的在每个不同的宇宙构件中，能量的比例是多少？以及这些分数能量密度将如何随着时间而变化。

例如，在早期，宇宙主要是辐射：以光子和中微子的形式存在。后来，主要是物质：暗物质和正常物质的形式。就宇宙学而言，直到最近，暗能量才成为宇宙的主要组成部分，但是随着时间的流逝，暗能量将变得更加严峻。

能量的大多数形式（例如物质或辐射）都基于粒子：能量的量子。随着宇宙的膨胀，体积增加，但其中的粒子数量保持不变。对于物质和辐射而言，这意味着密度必须降低：如果您具有相同数量的“填充物”，但是体积较大，则密度较低。

但是暗能量却不同：它是空间本身固有的一种能量。随着宇宙的膨胀，体积增加，而能量密度（每单位体积的能量）保持恒定。这种差异很重要。通常，随着宇宙的膨胀和能量密度的下降，膨胀率也会下降。随着时间的流逝，宇宙的膨胀速度会变慢。但是，如果能量密度保持恒定，则膨胀率不会下降，而将保持恒定不变的值。

这导致指数级膨胀，最终宇宙中每个未绑定的对象都将加速远离其他所有对象，从而导致一个膨胀但空的宇宙。

那些熟悉现代宇宙学的人可能会从我们历史的另一个角度认识到这种描述——一个不断膨胀的宇宙，其中充满的不是物质或辐射，而是宇宙本身固有的能量。这正是我们认为发生在宇宙膨胀期间的现象：一种以指数形式膨胀的空间，其中固有的能量占主导地位。最终，这种能量经历了从固有到空间到“翻转”为粒子和反粒子的转变：我们现在认为这是热大爆炸的开始。

多年来，许多人推测这两个时间段可能是相关的。如果我们的宇宙是从空的空间膨胀的后果开始的，并且将以某种状态结束，那么一旦所有星系和黑洞都消失了，空的空间也在扩展，那么宇宙的终结是否真的可以与另一个宇宙的诞生相关联？我们的宇宙可能起源于上一个宇宙的死亡，而我们的宇宙的死亡可以预示着一个新宇宙的开始吗？

您的第一个想法可能是以热力学为基础的。毕竟，热力学第二定律告诉我们，熵总是在增加，但是宇宙的开始和结束处事物“相同”的想法显然不符合该思想。

例如，在整个宇宙的各个时期，我们都可以用kB：玻耳兹曼常数来计算宇宙的熵。在热大爆炸开始时，在膨胀结束后，熵约为10^88 kB，这是一个很大的数字，但数量有限。那时，熵是辐射的主要成分。如今，在138亿年后，熵变得更高了：约为10^103 kB，其中熵由黑洞支配。（实际上，我们银河系中心的黑洞本身的熵约为10^91 kB：比“大爆炸”中整个宇宙的熵大。）

当暗能量有效地将我们带到宇宙的尽头时，熵将达到惊人的10^123 kB：比开始时大35个数量级。但是，您必须记住，在不断膨胀的宇宙中，熵（总是增加）和熵密度（会减小）之间存在很大差异。只要熵总量增加，在热力学第二定律的眼中，我们就没事了。

1.）宇宙可能崩溃。的确，暗能量似乎是太空本身固有的某种能量，不仅使宇宙膨胀，而且使膨胀加速。但是，我们没有证据表明暗能量的强度和信号将始终保持恒定。当然，我们拥有的最佳证据与此相符，但我们必须对暗能量随时间演变的可能性保持开放态度。

如果确实如此，那么一种可能的情况是，暗能量衰减成某种其他形式的能量，而另一种情况是，暗能量最终会在符号上反转：从正变负。如果发生以上两种情况中的任何一种，则即使在符号反转的情况下，也有可能改变宇宙的命运。宇宙永远不会膨胀，直到宇宙变得寒冷和空虚，它才会停止膨胀，开始收缩和坍缩。

尽管这可能会带来许多结果，包括从旧的残骸中崛起的“新宇宙”，但它不是源于空白空间，而是源于所有物质和能量的重新融合。就我们所知，这为从我们自己的“灰烬”开始新的宇宙留下了四种可能性。

2.）由于加强暗能量，宇宙加速了膨胀，引发了重生。然而，奇怪的是，与这种情况完全相反的情况也可能导致一个新的、重生的宇宙。如果暗能量随着时间的推移变得更强，而不是保持不变，该怎么办？空间固有的能量不仅会保持恒定的能量密度，而且能量密度（在空间的任何区域中的暗能量的大小）实际上都会随着时间的推移而增加。

由于空间、时间、宇宙的膨胀以及宇宙中所有事物的能量密度之间的关系，这导致膨胀率随着时间的推移而不断增长，并且没有尽头。在某个时候，膨胀速度可能与大爆炸之前的宇宙通货膨胀时期一样大。只要空间中的能量本身然后分解为粒子和反粒子，我们就可以触发另一个热的大爆炸。

令人兴奋的是，美国宇航局即将推出的南希·罗马望远镜（以前称为WFIRST）的科学目标是测量暗能量是否随时间变化，如果有的话，如何以前所未有的最高精确度进行测量：从真实的宇宙学常数下降到约1％的变化。

3.）暗能量可能会衰减，从而引发一个完全不同的宇宙的诞生。通常用一个简短的名字来称呼：真空衰减。由于某种原因，我们有一个带有暗能量的宇宙，其中空间固有的能量不为零，而是具有正的，非零的值。您可以想象这是因为我们不在山底，而是在所谓的虚假最小值下：一个低点（例如山谷），但不是所有可能的最低点。

如果宇宙本质上不是量子，我们将只停留在山谷中。但是，在量子宇宙中，仍然有可能“量子隧道”进入真正的最小值：甚至更低的能量状态。但是，如果发生这种情况，那么很多事情都会变得疯狂起来。

物理定律和基本常数的值将发生变化。以前空间固有的能量会下降。这将导致新的量子（例如粒子和反粒子）从真空中“撕裂”。这将触发一个新的“大爆炸”，尽管其能量比原始爆炸低得多，更冷且密度更低。

在这个新的宇宙中，即使发生单个原子跃迁也可能需要数万亿年的时间，但是如果我们从爱因斯坦身上学不到其他东西，那么就像太空一样，那是相对于观察者而言的时间。

4.）黑洞可能是通往其他宇宙的“门户”。这也许是最令人兴奋的想法，但它可能是不可避免的。每个黑洞的中心都有一个奇点：时间和空间破裂的点。但是，如果您的黑洞旋转，则该奇异点会被抹成一个“环”或一维圆。如果您陷入旋转的黑洞，那么一些非常有趣的理论物理学计算表明您永远不会达到奇点，但是一旦您越过事件视界，您所体验到的就与宇宙膨胀非常相似，并将您带入一个新的世界。

尽管我们尚无测试这种情况的已知方法，但它导致了许多引人入胜的可能的连接。通过霍金辐射，黑洞的衰变是否可以模拟您在宇宙中看到的暗能量？起源于我们的宇宙的膨胀时代可能是第一次出现在更早的宇宙中的一个黑洞吗？而且，如果我们陷入一个黑洞并且以某种方式幸免于难，那么我们是否会发现自己在另一个与我们完全不同的宇宙中？

就目前的情况而言，最好的证据表明，暗能量是恒定的，不会翻转，减弱，增强或衰减，并且黑洞是遗忘的单向票据。我们完全期望，宇宙将以恒定的能量密度继续扩展，遥远的，未受约束的物体以越来越快的速度彼此退缩。随着恒星，星系甚至其中的黑洞的衰减，我们的宇宙变得越来越安静，所有活动最终都归因于热寂灭：在这里，任何东西都无法提取出更多的能量。

但是，许多与标准方案不同的迷人结果仍在发挥作用，而且可能还会实现。如果释放出暗能量或真空度下降，则可能会出现一个富含粒子的新状态。如果围绕黑洞的一些更狂野的理论物理思想被证明是真的，它们可能是进入其他宇宙的窗口甚至网关。如果暗能量和通货膨胀之间有联系，也许我们的宇宙不是同类宇宙中的第一个，也许也不会是同类宇宙中的最后一个。当我们站在未知边界的边缘时，我们不得不惊奇地注视着，对尚未排除的每一种可能性敞开心扉。有了更多的高级数据，我们可能会发现一些彻底改变我们的看法，即总有一天这一切会如何结束。

但是，许多与标准方案不同的迷人结果仍在发挥作用，而且可能还会实现。如果释放出暗能量或真空度下降，则可能会出现一个富含粒子的新状态。如果围绕黑洞的一些荒诞的理论物理学思想被证明是正确的，它们可能是窗口，甚至是通向其他宇宙的门户。如果暗能量与膨胀之间存在联系，那么也许我们的宇宙不是同类中的第一个，也许也不是同类中的最后一个。当我们站在未知领域的边缘时，我们不得不向所有尚未排除的可能性敞开大门。有了大量的优质数据，我们可能会发现一些东西，这些东西彻底改变了我们对某天将如何结束的看法。