宇宙的未來

孫文德

在晴朗的夜晚，在城市的郊區(qū)或僻靜的鄉(xiāng)村，你會看到一個綴滿星斗的深邃夜空。乳白色的銀河一瀉千里，凝視良久，讓人頓生敬畏之情。天文學(xué)家告訴我們，銀河是一個帶有四個旋臂的巨大的漩渦星系，它包含1000億個星體或更多，在它之外還有上百億個類似的星系。更令人驚奇的是，這些星系正以巨大的速度(約72千米／秒)相互遠(yuǎn)離，而這一切都開始于約150億年前的一場大爆炸。

1929年，美國天文學(xué)家哈勃提出了著名的哈勃定律，即星系的紅移量與它們離地球的距離成正比。這一定律至今已為大量的觀測數(shù)據(jù)所證實，它清晰地顯示出整個宇宙正在膨脹。1948年，俄裔美籍物理學(xué)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，正是這場大爆炸產(chǎn)生了包括空間、時間和物質(zhì)在內(nèi)的所有一切。20世紀(jì)60年代，天文學(xué)家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(xué)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(jìn)一步的實驗證據(jù)。

宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家們確信宇宙的確起源于約150億年前的一場大爆炸。之后，科學(xué)家們開始著手了解這一過程的更多細(xì)節(jié)。他們的任務(wù)之一就是測量這一宇宙微波背景輻射的微弱的強度變化。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(tuán)，甚至超星系團(tuán)，而在星系之間幾乎空無一物。因此，科學(xué)家們猜測，這些不均勻性可能起源于產(chǎn)生宇宙微波背景輻射的最初原始物質(zhì)團(tuán)塊的某種分布不均勻性。稍微稠密的地方就產(chǎn)生了后來的超星系團(tuán)，而它們當(dāng)時也會顯得更熱。于是，科學(xué)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(yuǎn)鏡給出了迄今為止最為清晰的圖像。結(jié)果顯示，宇宙早期原始火球中的團(tuán)塊的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(xué)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5％，而余下有30％的物質(zhì)可能來源于一些理論所預(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，但是宇宙原始火球的溫度漲落在最初幾分之一秒內(nèi)就有了。

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年前科學(xué)家古斯所提出的暴漲理論得到了一次關(guān)鍵性的檢驗。根據(jù)暴漲理論，宇宙就應(yīng)當(dāng)是平坦的，而現(xiàn)在它的確如此。

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)該純粹由物質(zhì)組成，但是觀測數(shù)據(jù)卻顯示已知的物質(zhì)和暗物質(zhì)加在一起也只占總數(shù)的35％。因此，其余的物質(zhì)必然來自一種不可知的能量，并且正如所需要的那樣多。如果所有這些觀測結(jié)果被進(jìn)一步證實，那天文學(xué)家將可以肯定地給出宇宙的成分清單：5％的普通物質(zhì)，30％的暗物質(zhì)以及約65％的暗能量。

此外，這份清單還意外地對宇宙的未來提供了一種暗示，那就是所有的物質(zhì)加在一起也沒有足夠的引力來阻止膨脹，而且具有反引力效應(yīng)的暗能量還將加速這種膨脹。由于暗能量隨著空間變大而不斷增加，它的效果將只是加速膨脹。

宇宙在爆炸中誕生，那么它又會如何結(jié)束它的生命呢?實際上它只有兩種選擇：要么永遠(yuǎn)膨脹下去，星系間不斷相互遠(yuǎn)離，而宇宙將在無邊的黑暗中慢慢死去；要么星系間停止分離并重新聚集，而宇宙將在一場異常可怕的大坍縮中“犧牲”。

我們知道，當(dāng)宇宙不斷膨脹時，宇宙中所有物質(zhì)的引力會導(dǎo)致一種減緩膨脹的傾向。如果這種引力足夠強大，那么膨脹將停止并開始收縮；如果這種引力不夠大，那么膨脹將一直進(jìn)行下去。那么宇宙的命運到底會怎樣呢?發(fā)現(xiàn)答案的直接方法就是稱一下宇宙的重量，即測量所有星系、所有星體的質(zhì)量，計算它們所產(chǎn)生的引力，然后與宇宙的膨脹率做一下比較。如果宇宙正以逃逸速度膨脹(正如火箭以逃逸速度可以離開地球)，那么就不會有大坍縮發(fā)生。

但是，困難在于沒有人知道宇宙中究竟有多少物質(zhì)。星體和星系的數(shù)量比較容易計算，因為它們是可見的，但是自從20世紀(jì)30年代以來人們就知道宇宙中還存在一些看不見的物質(zhì)——暗物質(zhì)，其主要證據(jù)來自于天體動力學(xué)。科學(xué)家們對宇宙中各種星系的運動情況進(jìn)行了精確測量，測量結(jié)果顯示所有星系中星云的運動速度幾乎都不隨半徑而改變。根據(jù)牛頓定律，這表明在星系周圍的空間中存在著看不見的“暈”，即暗物質(zhì)。然而，在那些遠(yuǎn)離星系的空間中這種方法就無法探測到是否也有暗物質(zhì)存在了。

于是，科學(xué)家們想到了另外一個方法，即測量宇宙的膨脹速度是否減慢以及減慢多少。澳大利亞的年輕天文學(xué)家布萊恩·斯米特于1995年著手這項研究。斯米特想測量出宇宙膨脹的減慢速度，即所謂的減速參數(shù)。這個想法很簡單，你只要先看一看附近的宇宙并測量一下它的膨脹速率，然后再對更遠(yuǎn)的宇宙做同樣的事情，最后將兩者做一個比較就可以了。請注意更遠(yuǎn)的宇宙正對應(yīng)于更年輕的宇宙，因為從那些地方發(fā)出的光剛剛到達(dá)我們這里，它們是在宇宙很年輕時發(fā)出的。

與此同時，美國加利福尼亞勞倫斯－伯克利實驗室的索爾·玻姆特也在進(jìn)行類似的研究工作。他在尋找一種Ia類型的超新星的爆發(fā)。它發(fā)生于一個老年恒星結(jié)束它的生命之時，Ia類型的超新星不僅非常亮，而且很容易計算出它們與地球的距離。于是，只要測量出這些超新星與地球的距離，并且測量出它們的運行速度，就可以知道宇宙在不同時期的膨脹速度了。

1998年，他們的研究都發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的事件。人們預(yù)計宇宙的膨脹速度應(yīng)當(dāng)減慢很多或一點，這取決于宇宙中是否含有更多或更少的物質(zhì)，而作為結(jié)果更遠(yuǎn)的超新星與較近的相比應(yīng)當(dāng)顯得比所期望的更亮。然而，事實上，它們更暗，好像宇宙正在加速膨脹!這一結(jié)果也暗示了宇宙中存在某種具有反引力效應(yīng)的暗能量，它們迫使星系間更快地遠(yuǎn)離。由于宇宙微波背景輻射中的不均勻性，同樣暗示了暗能量是真實存在的，因此斯米特和玻姆特的結(jié)果就更令人信服。這一發(fā)現(xiàn)獲得了美國《科學(xué)》雜志1998年度的科學(xué)發(fā)現(xiàn)獎。

盡管反引力聽起來似乎很奇怪，但它卻還有一段有趣的歷史，這可以追溯到愛因斯坦1916年的廣義相對論。根據(jù)愛因斯坦的引力方程，宇宙要么膨脹，要么收縮，而不會呆在那兒不動。由于當(dāng)時天文觀測資料的缺乏，人們一直相信宇宙就是呆在那兒不動的。愛因斯坦盡管抱怨這會破壞他所心愛的方程的完整性，但還是在方程中人為地加入了一個常數(shù)項以使整個宇宙保持靜止。這一常數(shù)項被稱為宇宙常數(shù)，它導(dǎo)致了一種支撐宇宙的反引力。

1927年，當(dāng)哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹之后，愛因斯坦不得不去掉那個人為引入的宇宙常數(shù)。他后來稱這一常數(shù)的引入是他一生中最大的失誤。即使這樣，關(guān)于宇宙常數(shù)的想法并沒有銷聲匿跡。據(jù)量子理論，真空中的確應(yīng)當(dāng)充滿一種與反引力具有相同效應(yīng)的能量。問題在于，量子理論所計算出的這種能量是如此之大，以至于它將導(dǎo)致宇宙在還未形成原子時就已經(jīng)四分五裂了，更不用說形成星系了，而這明顯與事實不符。

對于斯米特和玻姆特的研究結(jié)果，一些天文學(xué)家仍表示懷疑。也許超新星的亮度數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，也許來自遙遠(yuǎn)超新星的光由于某種星際塵埃的影響而變暗了。而且，一個宇宙常數(shù)的惟一作用是使宇宙的膨脹更早地變慢，而不是加速。因為暗能量隨空間的尺度增長，而宇宙在年輕時空間很小，從而暗能量也很少，于是引力將起主要作用而使膨脹很快減速。此外，科學(xué)家們還不知道暗物質(zhì)究竟是什么，也不知道暗能量的本質(zhì)和起源，即使他們確信它們存在。

的確，沒有人確切知道遙遠(yuǎn)的過去究竟發(fā)生了什么。而關(guān)于未來的預(yù)測我們就更應(yīng)當(dāng)小心，因為它必然依賴于一些似乎不言自明的假設(shè)。例如，預(yù)測所引用的定律的真實性和不變性，物理學(xué)常數(shù)的不變性等等。實際上，越來越多的宇宙觀測證據(jù)已經(jīng)表明，尤其是美國天文學(xué)家布羅卡斯等人發(fā)現(xiàn)，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)很可能隨著宇宙年齡的增長而在不斷變化。這一常數(shù)給出了電磁相互作用固有強度的一個量度，它由基本電荷量(e)、普朗克常數(shù)(h)和光速(c)組成，其值近似為1/137。一些人猜測，其中隨時間變化的常數(shù)正是我們現(xiàn)在認(rèn)為是恒值的光速。

加速膨脹的宇宙意味著什么呢?它將意味著數(shù)以千億計的星系將一個接一個地從我們的視野中消失，大約100億年后，銀河系將成為惟一可以直接看到的星系。那時，太陽將收縮成一顆白矮星，只能發(fā)出極其微弱的光和熱，并開始進(jìn)入一個將持續(xù)100萬億年的慢性死亡期。

其他的恒星也將面臨同樣的命運，只有很少的恒星以超新星形式結(jié)束它們的生命。最終，剩下的只有黑洞、星體爆發(fā)的余燼以及行星的廢殼。整個宇宙將是寒冷而黑暗的。根據(jù)密歇根大學(xué)的天文學(xué)家阿達(dá)姆斯的預(yù)測，所有這些死亡物質(zhì)還將繼續(xù)坍縮成黑洞，而這需要經(jīng)過1027年之久。

科學(xué)家們是傾向于保守觀點的。他們堅持認(rèn)為這些關(guān)于暗物質(zhì)、暗能量以及平坦宇宙的發(fā)現(xiàn)必須經(jīng)過嚴(yán)格證實后才能被無保留地接受。結(jié)果可能是，一個愛因斯坦式的宇宙常數(shù)被認(rèn)為是暗能量的主要來源，但是它可能是本質(zhì)上完全不同的東西—— 一種可以改變方向并最終使引力加強的力。

無論如何，新一輪的檢驗已經(jīng)開始進(jìn)行。最近，美國發(fā)射了一顆衛(wèi)星要對宇宙微波背景輻射進(jìn)行迄今為止最靈敏的觀測。美國航空航天局也已決定放置一臺專用望遠(yuǎn)鏡用于觀測超新星，而其他地面上的高空探測氣球上的觀測儀器也在不斷使觀測結(jié)果變得更加精確。

如果最新的結(jié)果的確是正確的，那么關(guān)于宇宙的一些最重要的問題，如宇宙的年齡、它的組成以及它的命運等等，就已經(jīng)獲得了答案。我們可以說，關(guān)于宇宙歷史的最后篇章至此已經(jīng)譜寫完成?？梢栽O(shè)想，在那個遙不可及的寒冷而黑暗的未來，意識生物仍然可以存在，只是以一種完全不同的載體存在。而且他們會說，在那遙遠(yuǎn)的過去，宇宙中曾經(jīng)閃耀過不計其數(shù)的美麗星辰，而今它卻是一個寒冷、黑暗和凄涼的世界。