空间中的物质密度变小,引力不再占主导地位,宇宙开始加速膨胀。物质密度越小,引力地位越低。
具体来说有点复杂:
在1立方米的空间里只有一个最轻的原子,这样的密度较临界。密度物质为主的宇宙在很长时间停止膨胀所需的宇宙密度,成为临界密度ρ0。对于哈勃常数为70KM/(秒·百万秒差距),ρ0=0.9×10^(-29)克/厘米^3 (^后为指数)。这是非常小的数值。假设他们全是氢原子,相应密度是0.5×10^-5原子/厘米^3。更方便的量是密度参数Ω0——实际密度与临界密度的比值。对于实际密度等于临界密度,Ω0=1。对于Ω0>1,宇宙膨胀会停止而转为收缩,最终导致大反冲,对于Ω0<1,宇宙会永远膨胀下去。
以能量为主的宇宙,Ω0变为Ωmatter与ΩΛ之和。因此,Ω0决定宇宙的几何学。对于Ω0<1宇宙是张开的;对于Ω0=1,宇宙是平的,Ω0>1,宇宙是闭的
通俗地说,如果宇宙中物质非常多,物质密度超过临界密度,物质的引力会导致宇宙的膨胀减速,宇宙的膨胀最后会停止,并逆转为收缩。
如果物质密度等于或低于临界密度,则宇宙会一直膨胀下去。另外,宇宙的几何形状也与密度有关: 如果密度大于临界密度,宇宙的几何应该是封闭的;如果密度等于临界密度,宇宙的几何是平直的;如果宇宙的密度小于临界密度,宇宙的几何是开放的。并且宇宙膨胀将会变得非常慢,但会永远膨胀下去。
物质密度大于临界密度的宇宙是闭宇宙。物质密度低于临界密度的宇宙是开宇宙。物质密度等于临界密度,则为平宇宙。
也就是说,如果密度参数大于一,宇宙在空间上是闭合的,宇宙会最终停止膨胀并开始坍缩;如果密度参数小于一,宇宙在空间上是开放的,宇宙会一直保持膨胀下去。如果将空间曲率和真空能量都一起考虑到密度参数中,也有可能出现密度参数正好等于一的情况。真空能量能减低物质密度的参数。由于真空能量作用,现宇宙接近平直宇宙。
可以简单地这么理解,假定宇宙质量一定,则密度越小宇宙体积越大,如果把宇宙看成球体,则相应的半径也越大,而由万有引力定律F=GMm/R^2,半径越大则宇宙中的物质对其边缘处的万有引力越小,或者说密度小即是宇宙中各星体间距离大,相互之间的万有引力减小,因此宇宙会加速膨胀。
大爆炸后的膨胀过程是一种引力和斥力之争,爆炸产生的动力是一种斥力,它使宇宙中的天体不断远离;天体间又存在万有引力,它会阻止天体远离,甚至力图使其互相靠近。引力的大小与天体的质量有关,因而大爆炸后宇宙的最终归宿是不断膨胀,还是最终会停止膨胀并反过来收缩变小,这完全取决于宇宙中物质密度的大小。
这是广义相对论的引力场方程导出的结果(见《关于“宇宙学问题”》,当然可能有简单点的考虑方法,因为我不是物理专业的,所以不清楚。目前我们还不清楚是什么推动宇宙膨胀,当然科学家猜测是神秘的暗能量造成的