我们宇宙的诞生、膨胀，以及向最终命运的驱动、暗能量的加速膨胀等，都有着惊人的相似之处，这让人不禁猜测它们之间否有关联。事实上，本周选择的问题来自安德鲁·吉列，他想知道：如果永恒的膨胀是正确的，那么暗能量能否成为回到原始状态的前兆呢？
这不仅是可能的，甚至可能不需要永久膨胀。我们先从讨论宇宙诞生之前的阶段开始（依据我们已知的）：宇宙膨胀。
图片来源: NASA / WMAP科学团队.
当我们所知的宇宙（充满物质和辐射）形成的时候，具有一些并非如此奇怪的性质开始：它在空间上是平的，到处都是相同的温度，没有超高能量的遗迹，它有一个非常特殊的过度密集和欠密集区域的模式。宇宙可能是从这些条件开始的，但宇宙膨胀的概念是，如果宇宙开始就指数膨胀，其本身就有大量能量，然后这个膨胀周期就结束了，在所有这些条件都已具备的情况下，它将创造一个炙热的大爆炸。这样的结论花了好几年才被计算出来，从宇宙微波背景的波动中得到的证据也花了更长的时间来证实这一点，但现在人们明白，宇宙膨胀是我们宇宙历史上第一件能用可靠证据指出的事情。
在膨胀过程中，量子尺度上的时空波动在宇宙中被拉伸，导致引力波和密度波的不完美。
图片来源：E.Siegel，图片来源于ESA/Planck和DoE/NASA/NSF机构间CMB研究工作组。
永恒膨胀是宇宙膨胀的一个分支，基于一个你可能不会经常想到的属性。通常，当你在自然界中有一个转变——如一壶水从液态转变为气态——它会在不同的位置开始，这些位置会膨胀并合并在一起。在沸水的情况下，我们称之为“渗透”，当小气泡上升并合并在一起，在它们到达表面时产生更大的气泡。然而，在膨胀中，存在这样一个问题，即膨胀没有在某个特定时间点结束的地区继续呈指数增长，这就防止了膨胀结束的地区“渗透”。因此，我们可观测到的宇宙，必须全部包含在一个单一的泡沫中，而不是由许多一起渗透的泡沫构成。
一个永恒膨胀的例子；红色x出现的地方，膨胀结束，引起一个热的大爆炸，但是蓝色方块持续存在的地方，则继续膨胀。在数学上，为了获得足够的膨胀来创造我们的宇宙，你需要让膨胀无限期地持续下去。图片来源：E.Siegel。
不过，在光谱的另一端，我们的宇宙膨胀似乎正在加速。对这一点最好的解释，以我们所测量到的最精确的程度来说，是空间本身固有能量中有一小部分：我们称之为暗能量。这个能量成分是无所不在的——它在空间中分布均匀——而且它非常小：如果你通过爱因斯坦的E=mc^2把它转换成质量，它只相当于宇宙中每立方米一个质子。但空间不止庞大，而且还在膨胀。因此，随着时间推移，这种暗能量变得越来越重要，最终，在大约80亿年后，导致宇宙的膨胀加速，并在后来成为宇宙中能量的主要组成部分。
我们宇宙有四个可能的命运，我们生活的宇宙就在其中，由暗能量支配。图片来源：E. Siegel.
这两个时期看起来可能大不相同：膨胀和后期加速扩张。实际上，这些能量标度的大小相差约10^120倍！但它们都代表着空间本身固有的能量，它们都会导致空间指数级的膨胀，如果有足够的时间——膨胀的时间是几分之一秒，对于暗能量是1万亿年——它们会把所有物质整合到宇宙中的一个单一结构中，并将其分开。有一整类的模型，通常被称为是寻求统一膨胀和暗能量的典范。
那么，我们的宇宙自我循环的可能性有多大呢？现有两个可能性高的结果。
未来，暗能量可能的演化方式。恒定或加速膨胀可能潜在地使宇宙逆向演化(变年轻)。图片来源：NASA/CXC/M.Weiss.
1.)暗能量如果真的是一个宇宙常数，它便可能是宇宙膨胀期遗留下来的能量。进而，就没有理由认为，在足够长的时间内它不会衰变成能量更低的状态！也许这种转变会产生众多质量很低的粒子，如中微子、轴子(axions)或更奇特的东西，它们可能在足够大的时间尺度上相互结合形成类似恒星、行星甚至人类这样的存在。仅仅因为我们无法正真体会到它并不意味着它是无稽之谈，它是宇宙在遥远未来的一个潜在命运，即使需要极长的时间(10的99次方年)才能发生。
2.)暗能量可能不是宇宙学常数，但可能随着时间的推移增加强度。如果真是这样，那么暗能量的强度将持续增大，最终导致一个“大撕裂”(Big Rip)的场景，宇宙中所有结构最终都会自我瓦解。但在埃里克·加威斯尔(Eric Gawiser)的设想下，有可能在最后时刻(空间湮灭前)，空间的固有能量转变成一场热大爆炸(和宇宙诞生时的场景类似)！
现在，我们有最有力的证据说明暗能量确实是宇宙常数，所以着场景2.)就不必考虑了。如果没有可供暗能量去转变的低能量状态，那么场景1.)也不存在，但以现有的理论知识我们还无法排除其中任何一个。如果要我打赌，我会说转换终态能量低的可能性大，但暗能量是恒定常数的想法得到了现有数据更好的支持。但在我们确定之前，我们必须对所有的可能性敞开心扉！
美国国家航空航天局(NASA)的欧几里得(EUCLID)任务，NASA的广域红外勘测望远镜(WFIRST)以及大型综合巡天望远镜(LSST) 将帮助我们以更高的精度测量暗能量，以便为第二种可能情况提供支持或否定的证据，而理论高能物理学的发展可能会告诉我们更多关于第一种可能性的信息。无论如何，问题的答案是：暗能量可能预示着从膨胀的状态逆向演化为一场热大爆炸，但它并不依赖持续膨胀的本质属性！
作者: Ethan Siegel Senior Contributor
FY: blue feather
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