大撕裂会发生吗？它能撕裂黑洞吗？

之前我们分析过，无论是“现实中”的反物质炸弹还是科幻里的二向箔，当面对黑洞这个宇宙终极天体时，它们都只剩下被吃的份。那假如面对的不是别人，而是大撕裂这种宇宙本身的命运时，黑洞还有胜算吗？

之前有期彩蛋里提到了一种宇宙未来可能的结局：就是随着空间的不断加速膨胀，最终有一天，宇宙中所有的天体、甚至是构成物质的微观粒子都将彼此以超光速远离，这个结局人们称其为“大撕裂”。很多人有疑问：宇宙膨胀不是大尺度效应吗？虽然空间一直在加速膨胀，但是物质间的电磁力，包括核子级别的强力会一直把各部位拉在一起，大撕裂真的有能力把微观粒子都扯开吗？换句话说：将来大撕裂真的会发生吗？

要回答这个问题，我们先要搞清楚“大撕裂”这个说法具体是怎么来的。

我们知道，目前在描述宇宙演化方面，ΛCDM 模型是公认最靠谱的模型，所以也被称为“宇宙学标准模型”。模型名字前面的“Λ”代表“宇宙学常数”，也就是暗能量项；后面的“CDM”代表“冷暗物质”，也就是运动缓慢、速度远小于光速的暗物质。可以看出，宇宙怎么演化那基本都是暗能量和暗物质说了算，几乎没普通物质什么事（仅占比 5%）。

在这个模型中，有一个参数专门用来描述宇宙的膨胀速率，就是“哈勃参数（H）”，也叫“哈勃参量”。这个哈勃参数并不是一个固定值，它是时间的函数 H (t)，也就是会随时间变化。平时我们说的哈勃常数，其实指的就是当前现阶段（t=0 / z=0）的哈勃参数，因此也记作 H0 / H (0)。

很多人以为我们的宇宙从一开始就一直在加速膨胀，其实不是。宇宙早期的时候空间很拥挤，物质和能量相对密集，暗能量没有太多发挥空间，所以那个时候即便对整个宇宙来说，引力效应也是占上风的。因此这一阶段的宇宙一直在减速膨胀。

但是减速膨胀也是膨胀，随着空间越来越多，暗能量的势头逐渐展露出来。因为暗能量的密度恒定，有多少新的空间就会带来多少新的暗能量，于是宇宙膨胀渐渐由暗能量主导，从此进入了加速膨胀阶段。其实这个时期并不久远，大概在距今 40 多亿年前，差不多就是我们太阳系刚刚诞生的时候。

总之就是：宇宙从诞生之日起，先是经历了将近 100 亿年的减速膨胀，然后才慢慢开始加速膨胀。假如今后宇宙没有什么重大变故，就这么一直加速膨胀下去，那未来真的会迎来大撕裂那一天吗？

答案是：不会。

因为暗能量的密度是恒定的，有多少空间就有多少暗能量，所以它对空间的拉扯能力并不会随着时间增强。所以哪怕是很久很久以后，在小尺度上空间的膨胀效应依然不会凸显。

然而一切真的是这样吗？

其实就目前的观测结果来说，暗能量的密度是趋近于恒定，并不是绝对不变。毕竟不同方法测量出来的哈勃常数都还不一样呢。假如暗能量的性质和我们预想的不一样，密度真的会变化，那会怎么样呢？

比如前不久，暗能量光谱仪（DESI）团队基于第一年的观测数据，发现宇宙中的暗能量可能正在减弱。这意味着，未来宇宙加速膨胀的势头可能会渐渐放缓，甚至停止。不过这个结果目前并未实锤，但是据说数据的精确度是前所未有的，具体有待未来几年进一步的观测结果。

既然暗能量可以减弱，那自然也有增强的可能。1999 年，美国理论物理学家罗伯特・R・考德威尔（Robert R. Caldwell）率先考虑了这个问题，并首次提出了“幻能量（Phantom energy）”的概念。

幻能量是一种特殊的暗能量形态，它的密度会随时间变大。这种“超级暗能量”会让宇宙以极其夸张的指数级速度加速膨胀。当宇宙进入由幻能量主导的阶段，不断增长的暗能量密度会使得结构的各部位飞速远离彼此，也就是结构被“撕裂”了。这种撕裂程度会随着时间流逝不断增强，以至于到最后宇宙中所有的基本粒子都将会以无限大的速度相互远离，考德威尔将这一结果称之为“大撕裂（Big Rip）”。

不光是提出了“大撕裂”这个概念，同时考德威尔还计算了大撕裂在未来可能发生的时间。

暗能量密度对应于状态方程中的 ω，恒定时该值为-1（ω=-1）。倘若暗能量密度是随时间增加的（ω<-1），那么大撕裂发生就只是早晚问题了。

基于先前的观测数据，现实中 ω 的值可能在-0.907 到-1.075 之间。也就是说，目前实际观测结果确实是包含了 <-1 的情况。假如让 ω 取这里面的最小值（-1.075），那么宇宙最早将在 1520 亿年后迎来大撕裂。同时作者还考虑了更加激进的情况，比如让 ω 取-1.5，此时只需要再过 220 亿年大撕裂就会发生。

虽然“宇宙只剩 220 亿年”只是个纯粹的脑洞，但是通过它我们可以对大撕裂的整个过程有一个大致印象：

在大撕裂发生前的 10 亿年，宇宙中所有的星系团都将瓦解，星系之间彼此独立再也没有任何交集；

到了大撕裂前 6000 万年，银河系开始散架（哦，那时候可能要叫“银河-仙女星系”）；

到了大撕裂前 3 个月，行星系统开始崩溃，所有行星会脱离恒星独自存在；

大撕裂前 30 分钟，各种天体开始分崩离析，电磁力渐渐无法束缚物质，世间万物将化为灰烬；

大撕裂前的几秒钟，“灰烬”中的分子和原子将被继续撕裂，所有的原子核将永远失去核外电子；

大撕裂前 10^-19 秒，原子核破裂，紧接着夸克禁闭不复存在，质子、中子被瓦解成了夸克等基本粒子；

最终，所有基本粒子彼此远离，宇宙中再也没有可以相互影响的两个部分，至此大撕裂发生。

当然，刚才说了，“大撕裂”完全是建立在幻能量这种特殊的暗能量基础上，这个东西目前完全只是猜想。毕竟暗能量是什么现在都还八字没一撇呢，更别说幻能量了。

先不管这些，假如幻能量的猜想是真的，宇宙真的迎来了大撕裂，那回到开头的问题：大撕裂会把黑洞也撕了吗？

有人说：当然能。黑洞要说只是空间的一部分（一处扭曲得特别厉害的空间），大撕裂到最后空间膨胀速率无穷大，这相当于把空间都撕裂了，所以撕裂黑洞理应不在话下。

但也有人说：不可能。因为从广义相对论来说，黑洞的质量全都集中在中心的奇点上。而奇点相当于是把三维空间压缩成了 0 维的点，一个连体积都没有的点何谈撕裂呢？

这个看似脑洞的问题还真有科学家思考过。

2005 年，来自俄罗斯科学院的三位科学家，他们通过相对论流体力学分析了黑洞对暗能量的吸积情况。

他们假设暗能量是一种具有负压的理想流体，某种程度上可以被黑洞吸积。而幻能量因为有着强烈的负压，可以被视作一种“负能量”，所以随着黑洞对它的吸积，黑洞的质量将慢慢被抵消掉。直观的感受就是，黑洞在被暗能量一点点“溶解”掉。此时，霍金辐射已显得微不足道，伴随着溶解，宇宙中的所有黑洞，无论大小，它们都将在大撕裂前的那一刻（一普朗克时间）灰飞烟灭。

参考资料：

• [1] R.R Caldwell. A phantom menace? Cosmological consequences of a dark energy component with super-negative equation of state. Physics Letters B (2002). 545(1-2):23-29

• [2] Robert R. Caldwell, Marc Kamionkowski, and Nevin N. Weinberg. Phantom Energy: Dark Energy with w < − 1 Causes a Cosmic Doomsday. PHYSICAL REVIEW LETTERS (2003). 91(7)

• [3] Lauris Baum and Paul H. Frampton. Turnaround in Cyclic Cosmology. PHYSICAL REVIEW LETTERS (2007). 98(7)

• [4] A. Vikhlinin. et al. CHANDRA CLUSTER COSMOLOGY PROJECT III: COSMOLOGICAL PARAMETER CONSTRAINTS. The Astrophysical Journal (2009). 692(2):1060

• [5] Babichev, E.O., Dokuchaev, V.I. & Eroshenko, Y.N. The accretion of dark energy onto a black hole. J. Exp. Theor. Phys. 100, 528–538 (2005)

• [6] Jamil, M., Qadir, A. Primordial black holes in phantom cosmology. Gen Relativ Gravit 43, 1069–1082 (2011)

• [1] WIKIPEDIA: Lambda-CDM_model

• [2] WIKIPEDIA: Big_Rip

• [3] WIKIPEDIA: Phantom_energy

• [4] WIKIPEDIA: Friedmann_equations

• [5] WIKIPEDIA: Equation_of_state_(cosmology)

• [6] New Scientist: Black holes cannot escape the phantom menace

• [7] Sean Carroll's Blog: www.preposterousuniverse.com/blog/2004/09/13/phantom-energy/

本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo

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