宇宙：無邊的黑暗與“大崩墜”

白　木　　周　潔

在大爆炸中誕生

1948年，俄裔美籍物理學家伽莫夫等人首次提出了宇宙大爆炸理論。根據(jù)這一理論，我們的宇宙起源于一場大爆炸，正是大爆炸產(chǎn)生了包括時間、空間和物質(zhì)在內(nèi)的所有一切。20世紀60年代，天文學家們找到了宇宙起源的一些直接證據(jù)。1965年，貝爾實驗室的射電天文學家彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了大爆炸遺留下來的宇宙微波背景輻射，這為大爆炸理論提供了進一步的實驗證明。

宇宙的大小

對天文學家來說，精確地測繪宇宙天體不僅是必要的，而且也是可能的。天文學采用的計量單位是“光年”，即光在一年里所走的距離。光的前進速度約為每秒30萬千米，一光年大約是9．7萬億千米。銀河系的直徑約為10萬光年。而在銀河系之外還有別的星系，距離我們有數(shù)十億光年。最新發(fā)現(xiàn)的類星體位于我們目前所能觀測到的宇宙邊緣，與地球相隔約100億光年～200億光年，是迄今所知的最遙遠的天體。

如此遙遠的距離簡直令人難以想象。要測量太陽系的其他行星或附近的恒星的距離，可以采用由古希臘人發(fā)明的視差計算法。所謂視差，是指從兩個觀察位置觀察同一物體時兩道視線所形成的夾角。在天文學中，測定視差的方法就是把兩個觀測點與被觀測的天體構(gòu)成一個三角形，已知兩個觀測點連線(即基線)的長度，再從這兩個觀測點測出天體的方位(即三角形的頂角)，就能求出天體與地球的距離。基線越長，求得的結(jié)果就越精確。通常，在測量離地球較近的天體如月亮的距離時，可以用地球的半徑作基線，所測定的視差則稱為“周日視差”。如果要測定太陽系以外天體的距離，一般都以地球與太陽的距離為基線，所測定的視差稱為“周年視差”。用這種視差法測量相距8．6光年以內(nèi)的天體非常準確，測量遠至1000光年的天體也能做到大體準確。

另一種測量恒星距離的方法是亮度測定法。一顆恒星可能因體積大、運動活躍或距離地球較近而顯得很光亮。只要分清星球的實際亮度和視覺亮度，就能從光亮度上準確測出恒星與地球之間的距離。本世紀初，天文學家按波長區(qū)分星球光亮，制成了光譜。他們發(fā)現(xiàn)，不同的恒星有不同的光譜特性。用分光鏡研究恒星的光譜，就能判斷該星的冷熱程度。這有助于天文學家辨別貌似暗淡的小星是否是遙遠的活躍的巨星。只要把一顆星的光與另一顆已知距離、活躍程度相似的星進行比較，就能測量出這顆星與地球之間的距離。

宇宙中的物質(zhì)

根據(jù)愛因斯坦的理論，宇宙的曲率由它所含有的物質(zhì)和能量決定?，F(xiàn)在，我們的宇宙本來應(yīng)該純粹因物質(zhì)而變平，但是觀測數(shù)據(jù)卻顯示已知的物質(zhì)和暗物質(zhì)加在一起也只占所需物質(zhì)的35％。因此，其余的曲率必然來自一種不可見的能量，并且正如所需要的那樣多。如果所有這些觀測結(jié)果被進一步證實，那么天文學家將可以肯定地給出宇宙的成分清單：5％普通物質(zhì)，30％暗物質(zhì)以及約65％的暗能量。

天文觀測顯示，宇宙中的物質(zhì)分布并不是均勻的。很多星系聚集在一起形成更大的星系團，甚至超星系團，而在星系之間幾乎空無一物。因此，科學家們猜測，這些不均勻性可能起源于產(chǎn)生字宙微波背景輻射的最初原始物質(zhì)團塊的某種分布不均勻性。在它稍微稠密的地方將產(chǎn)生后來的超星系團，而它們當時也會顯得更熱。于是，科學家們開始在今天的宇宙微波背景輻射中尋找這些強度更大的熱點。

大約十年前，cobe探測衛(wèi)星的確探測到了宇宙微波背景輻射的這種不均勻性。2001年4月，來自南極上空的名為boomerang的熱氣球上的望遠鏡給出了迄今為止最為清晰的圖像。結(jié)果顯示，宇宙早期的原初火球中的團塊或不均勻性并不是無規(guī)律的，而是具有某種固定的尺寸。這一結(jié)果具有極端的重要性，因為知道這些冷熱區(qū)域的溫度和特征尺寸可以讓科學家們知道所有關(guān)于我們這個宇宙的信息。

計算顯示，所有已知的物質(zhì)只占宇宙總質(zhì)量的70％，而余下30％的物質(zhì)可能來自于一些理論所預(yù)測的神秘粒子，如軸子等。它們就是所謂的神秘的暗物質(zhì)。盡管宇宙微波背景輻射開始于30萬年前，但是宇宙原初火球的溫度漲落在最初幾分之一秒內(nèi)就有了。

宇宙的形狀

宇宙最初的不均勻性還可以告訴我們另一個重要的信息，即宇宙是如何彎曲的。新的測量結(jié)果顯示，宇宙實際上是平坦的。宇宙的平坦性意味著20年前古斯所提出的暴脹理論得到了一次關(guān)鍵性的檢驗。根據(jù)暴脹理論，宇宙就應(yīng)當是平坦的，而現(xiàn)在它的確是。

宇宙在膨脹

20世紀20年代，美國天文學家埃德溫·哈勃在加利福尼亞州的威爾遜山用當時世界上最大的反射式望遠鏡研究銀河系外星系。他分析了這些星系的光譜，發(fā)現(xiàn)各種譜線的波長都移向紅色一端。這種現(xiàn)象叫做紅移，說明那些星系正在向遠處飛離。波長的改變是多普勒效應(yīng)的作用，與疾駛而去的汽車喇叭聲調(diào)的變化是同樣道理。由于宇宙在不斷膨脹，星系距我們越遠，紅移就越大。換而言之，越遠的星系，其飛離我們的速度也越快。

關(guān)于宇宙膨脹的速率，天文學家們的看法并不一致。最保守的估計是，距離增加百萬光年，則速度每秒約增加16千米，即一個距我們5億光年的星系將以每秒約8047千米的速度遠離地球。有些天文學家估計的速率比這個數(shù)字還要大一倍。按照第一種估計，宇宙中最遙遠的天體距離地球約有100億光年。而按第二種速率計算，則宇宙邊緣距離地球達200億光年之遙。

宇宙的最終命運

從天文學家埃德溫·哈勃1929年發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹以來，經(jīng)典的創(chuàng)世大爆炸理論經(jīng)過了幾十年的不斷修改。根據(jù)這一理論，宇宙的最終命運將取決于兩種相反力量之間的“拔河比賽”的結(jié)果。一種力量是宇宙的膨脹，在過去100多億年的時間里，宇宙的擴張一直在使星系之間的距離拉大。另一種力量是這些星系和宇宙中所有其他物質(zhì)發(fā)出的相互間的引力。它就像制動器一樣使宇宙擴張的速度逐漸放慢。

這個問題非常簡單。如果萬有引力足以使擴張最終停止，那么宇宙就注定會發(fā)生坍縮，最終變成一個大火球——同創(chuàng)世大爆炸相當，但過程正好相反的“大崩墜”。如果萬有引力不足以阻止宇宙的持續(xù)膨脹，那么它最終將變成一個令人感到“不快”的黑暗和寒冷的世界。恒星是通過使氫原子核(主要是氫和氦)發(fā)生聚變反應(yīng)形成較重的原子核來產(chǎn)生能量的。當恒星內(nèi)部儲存的氫和氦消耗殆盡的時候，衰老的恒星上燃燒的火焰會因為沒有新的原子來替代已經(jīng)消耗掉的原子而熄滅，同時宇宙也會逐漸變成一個漆黑一團的空間。

宇宙生命的去向

隨著時間的推移，宇宙可能會讓人覺得越來越“不舒服”，并且最終變得不再適于生命存在。有的科學家認為，宇宙至少可以將目前這種適于生命存在的狀態(tài)再維持1000億年。這相當于地球歷史的20倍，或者相當于智人(現(xiàn)代人的學名)歷史的500萬倍。

如果宇宙的最終命運是熊熊烈火，“大崩墜”就會熔化一切，甚至亞原子粒子也難逃厄運。另一方面，如果宇宙以無邊的寒冷和黑暗而告終的話，宇宙中的生命形式就有可能存在很長一段時間——智慧生命可以通過從黑洞中提取引力能來獲得能源從而維持自己的生存。但是，在所有的物體都已經(jīng)受下降到差不多相同溫度(略高于絕對零度)的情況下設(shè)法維持生存，就像是要利用一潭死水來推動水磨一樣困難。

最能引起人們興趣的未知數(shù)，也許是智慧生命本身在宇宙中扮演著什么樣的角色。存在于遙遠未來的先進文明也許有能力熔化許多恒星甚至整個星系，從而生起一堆巨大的“篝火”，或者使宇宙的長期發(fā)展朝著對這一文明有利的方向前進。在宇宙逐漸衰亡的沒落時期，生活也許會變得非?？菰锓ξ叮沁@種生活可能會持續(xù)很長的時間。