如果宇宙以大坍缩结束，所有空间都会收缩回去吗？

已经存在了上百亿年的宇宙目前还在膨胀，但如果宇宙的临界密度比较小，那么，引力最终会战胜暗能量，宇宙将会迎来大坍缩的结局。那么，在这种情况下，宇宙空间会停止膨胀并转向坍缩吗？最终的结局又会是什么？

首先一个问题，空间本身真的在膨胀吗？

当天文学家观测的遥远河外星系时发现，那些星系发出的光出现了红移的现象。波长是光的最重要参数，它决定光的颜色、频率、能量和动量。

当原子跃迁时，电子从一个能级跃迁到另一个能级，这个过程将会伴随着光子的吸收或者发射。由于每个能级有特定的值，这意味着被吸收或发射的光子会有特定的波长。因此，可以利用光谱来分析元素的存在和丰度，天文学家可以用来研究恒星和星系。

红移的星系

当年哈勃测量星系的光谱时，有了令人意想不到的发现。除了极少数邻近星系的光谱出现了蓝移，其他几乎都是红移，并且红移程度随着距离的增加而变大。

早期天文学家对于这种现象有两种解释，一种解释是星系的红移和蓝移可能是由单个星系运动引起的，因为向我们运行的星系会出现蓝移，而远离我们的星系会出现红移。还有一种解释是红移可能是由于空间结构本身的膨胀造成的，遥远星系发出的光在膨胀空间中传播，其波长被拉伸，从而导致红移。

事实上，这两种效应同时存在。星系之间确实是相对运动的，因为来星系之间存万有引力，这会把星系之间的距离互相拉近。然而，时空结构本身也不可能保持不变。

膨胀的宇宙

在广义相对论中，时空是一种动态的实体。物质和能量在最大尺度上相对均匀地分布，宇宙不可能保持静态。宇宙要么在膨胀，要么在坍缩。我们不能仅从基本原理来推导出宇宙的状态，而且还需要实际观测数据的支持。

一系列的观测数据表明，宇宙的结构正在膨胀。但这并不意味着宇宙会一直膨胀，也不意味着没有星系在膨胀空间中存在运动。从上图可以看到，很少有星系恰好落在红移距离关系的最佳拟合线上。

这条线对应于空间的整体膨胀，但是实际的数据点可以落在拟合线的任意一边。这是因为在不断膨胀的宇宙中，星系之间确实有着相对运动，包括我们的银河系，相对于宇宙的哈勃膨胀，银河系的运动速度约为370千米/秒。

然而，随着观测距离的逐渐增加，就能完全排除个别星系运动对所观测到的红移值产生影响。观测到的数据与广义相对论的预言相一致，所以可以确定，空间本身的结构确实膨胀，遥远星系在快速退行的原因是宇宙在膨胀。

坍缩的宇宙

然而，宇宙膨胀并不是唯一可能的解决方案。如果我们看一下控制宇宙膨胀的方程，我们会发现一些有趣的事情：方程没有给出宇宙膨胀率的值，而是给出了宇宙膨胀率平方的值。

从广义相对论中推导出来的弗里德曼方程

乍一看可能不会有什么没问题，宇宙膨胀率的平方等于4，只要开根号就能得到宇宙膨胀率为2。问题就出在这里，4的平方根可以是2，也可以是-2。当我们解膨胀率的方程时，可以得到一个膨胀的宇宙。但同时，也可以得到一个膨胀率为负的宇宙，这对应于一个坍缩的宇宙。

即使我们知道宇宙目前正在膨胀，但没有什么能阻止宇宙达到最大的尺寸之后，停止膨胀，然后转向坍缩。如果宇宙最终的结局是大坍缩，那么，宇宙显然还没有迎来转折点。

但天文学家测量宇宙不同时间段的膨胀率式时发现，膨胀率的变化不大可能会降至零，并逆转为负。膨胀率随时间变化的方式，取决于宇宙中物质和能量的总量和类型。由于宇宙中的物质和辐射太少，暗能量太多，引力似乎无法战胜暗能量，这意味着宇宙有可能就这么一直膨胀下去。

除非暗能量是动态的，其密度能够随时间变化。如果暗能量随着空间膨胀而逐渐衰减，这就有可能导致宇宙以大坍缩结束。尽管这些变化的时间尺度要比目前的宇宙年龄长得多，但在理论上仍有可能发生。如果宇宙最终发生坍缩，那么，这会导致空间变得越来越小，最终小到宇宙起源时的状态——奇点。