宇宙的未来

孙文德

在晴朗的夜晚，在城市的郊区或僻静的乡村，你会看到一个缀满星斗的深邃夜空。乳白色的银河一泻千里，凝视良久，让人顿生敬畏之情。天文学家告诉我们，银河是一个带有四个旋臂的巨大的漩涡星系，它包含1000亿个星体或更多，在它之外还有上百亿个类似的星系。更令人惊奇的是，这些星系正以巨大的速度(约72千米／秒)相互远离，而这一切都开始于约150亿年前的一场大爆炸。

1929年，美国天文学家哈勃提出了著名的哈勃定律，即星系的红移量与它们离地球的距离成正比。这一定律至今已为大量的观测数据所证实，它清晰地显示出整个宇宙正在膨胀。1948年，俄裔美籍物理学家伽莫夫等人首次提出了宇宙大爆炸理论。根据这一理论，我们的宇宙起源于一场大爆炸，正是这场大爆炸产生了包括空间、时间和物质在内的所有一切。20世纪60年代，天文学家找到了宇宙起源的一些直接证据。1965年，贝尔实验室的射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊发现了大爆炸遗留下来的宇宙微波背景辐射，这为大爆炸理论提供了进一步的实验证据。

宇宙微波背景辐射的发现使科学家们确信宇宙的确起源于约150亿年前的一场大爆炸。之后，科学家们开始着手了解这一过程的更多细节。他们的任务之一就是测量这一宇宙微波背景辐射的微弱的强度变化。天文观测显示，宇宙中的物质分布并不是均匀的，很多星系聚集在一起形成更大的星系团，甚至超星系团，而在星系之间几乎空无一物。因此，科学家们猜测，这些不均匀性可能起源于产生宇宙微波背景辐射的最初原始物质团块的某种分布不均匀性。稍微稠密的地方就产生了后来的超星系团，而它们当时也会显得更热。于是，科学家们开始在今天的宇宙微波背景辐射中寻找这些强度更大的热点。

大约十年前，COBE探测卫星的确探测到了宇宙微波背景辐射的这种不均匀性。2001年4月，来自南极上空的名为BOOMERANG的热气球上的望远镜给出了迄今为止最为清晰的图像。结果显示，宇宙早期原始火球中的团块的不均匀性并不是无规律的，而是具有某种固定的尺寸。这一结果具有极端的重要性。因为知道这些冷热区域的温度和特征尺寸可以让科学家们知道所有关于我们这个宇宙的信息。

计算显示，所有已知的物质只占宇宙总质量的5％，而余下有30％的物质可能来源于一些理论所预测的神秘粒子，如轴子等。它们就是所谓的神秘的暗物质。尽管宇宙微波背景辐射开始于30万年前，但是宇宙原始火球的温度涨落在最初几分之一秒内就有了。

宇宙最初的不均匀性还可以告诉我们另一个重要的信息，即宇宙是如何弯曲的。新的测量结果显示，宇宙实际上是平坦的。宇宙的平坦性意味着20年前科学家古斯所提出的暴涨理论得到了一次关键性的检验。根据暴涨理论，宇宙就应当是平坦的，而现在它的确如此。

根据爱因斯坦的理论，宇宙的曲率由它所含有的物质和能量决定。现在，我们的宇宙本来应该纯粹由物质组成，但是观测数据却显示已知的物质和暗物质加在一起也只占总数的35％。因此，其余的物质必然来自一种不可知的能量，并且正如所需要的那样多。如果所有这些观测结果被进一步证实，那天文学家将可以肯定地给出宇宙的成分清单：5％的普通物质，30％的暗物质以及约65％的暗能量。

此外，这份清单还意外地对宇宙的未来提供了一种暗示，那就是所有的物质加在一起也没有足够的引力来阻止膨胀，而且具有反引力效应的暗能量还将加速这种膨胀。由于暗能量随着空间变大而不断增加，它的效果将只是加速膨胀。

宇宙在爆炸中诞生，那么它又会如何结束它的生命呢?实际上它只有两种选择：要么永远膨胀下去，星系间不断相互远离，而宇宙将在无边的黑暗中慢慢死去；要么星系间停止分离并重新聚集，而宇宙将在一场异常可怕的大坍缩中“牺牲”。

我们知道，当宇宙不断膨胀时，宇宙中所有物质的引力会导致一种减缓膨胀的倾向。如果这种引力足够强大，那么膨胀将停止并开始收缩；如果这种引力不够大，那么膨胀将一直进行下去。那么宇宙的命运到底会怎样呢?发现答案的直接方法就是称一下宇宙的重量，即测量所有星系、所有星体的质量，计算它们所产生的引力，然后与宇宙的膨胀率做一下比较。如果宇宙正以逃逸速度膨胀(正如火箭以逃逸速度可以离开地球)，那么就不会有大坍缩发生。

但是，困难在于没有人知道宇宙中究竟有多少物质。星体和星系的数量比较容易计算，因为它们是可见的，但是自从20世纪30年代以来人们就知道宇宙中还存在一些看不见的物质——暗物质，其主要证据来自于天体动力学。科学家们对宇宙中各种星系的运动情况进行了精确测量，测量结果显示所有星系中星云的运动速度几乎都不随半径而改变。根据牛顿定律，这表明在星系周围的空间中存在着看不见的“晕”，即暗物质。然而，在那些远离星系的空间中这种方法就无法探测到是否也有暗物质存在了。

于是，科学家们想到了另外一个方法，即测量宇宙的膨胀速度是否减慢以及减慢多少。澳大利亚的年轻天文学家布莱恩·斯米特于1995年着手这项研究。斯米特想测量出宇宙膨胀的减慢速度，即所谓的减速参数。这个想法很简单，你只要先看一看附近的宇宙并测量一下它的膨胀速率，然后再对更远的宇宙做同样的事情，最后将两者做一个比较就可以了。请注意更远的宇宙正对应于更年轻的宇宙，因为从那些地方发出的光刚刚到达我们这里，它们是在宇宙很年轻时发出的。

与此同时，美国加利福尼亚劳伦斯－伯克利实验室的索尔·玻姆特也在进行类似的研究工作。他在寻找一种Ia类型的超新星的爆发。它发生于一个老年恒星结束它的生命之时，Ia类型的超新星不仅非常亮，而且很容易计算出它们与地球的距离。于是，只要测量出这些超新星与地球的距离，并且测量出它们的运行速度，就可以知道宇宙在不同时期的膨胀速度了。

1998年，他们的研究都发现了一些奇怪的事件。人们预计宇宙的膨胀速度应当减慢很多或一点，这取决于宇宙中是否含有更多或更少的物质，而作为结果更远的超新星与较近的相比应当显得比所期望的更亮。然而，事实上，它们更暗，好像宇宙正在加速膨胀!这一结果也暗示了宇宙中存在某种具有反引力效应的暗能量，它们迫使星系间更快地远离。由于宇宙微波背景辐射中的不均匀性，同样暗示了暗能量是真实存在的，因此斯米特和玻姆特的结果就更令人信服。这一发现获得了美国《科学》杂志1998年度的科学发现奖。

尽管反引力听起来似乎很奇怪，但它却还有一段有趣的历史，这可以追溯到爱因斯坦1916年的广义相对论。根据爱因斯坦的引力方程，宇宙要么膨胀，要么收缩，而不会呆在那儿不动。由于当时天文观测资料的缺乏，人们一直相信宇宙就是呆在那儿不动的。爱因斯坦尽管抱怨这会破坏他所心爱的方程的完整性，但还是在方程中人为地加入了一个常数项以使整个宇宙保持静止。这一常数项被称为宇宙常数，它导致了一种支撑宇宙的反引力。

1927年，当哈勃发现宇宙膨胀之后，爱因斯坦不得不去掉那个人为引入的宇宙常数。他后来称这一常数的引入是他一生中最大的失误。即使这样，关于宇宙常数的想法并没有销声匿迹。据量子理论，真空中的确应当充满一种与反引力具有相同效应的能量。问题在于，量子理论所计算出的这种能量是如此之大，以至于它将导致宇宙在还未形成原子时就已经四分五裂了，更不用说形成星系了，而这明显与事实不符。

对于斯米特和玻姆特的研究结果，一些天文学家仍表示怀疑。也许超新星的亮度数据不准确，也许来自遥远超新星的光由于某种星际尘埃的影响而变暗了。而且，一个宇宙常数的惟一作用是使宇宙的膨胀更早地变慢，而不是加速。因为暗能量随空间的尺度增长，而宇宙在年轻时空间很小，从而暗能量也很少，于是引力将起主要作用而使膨胀很快减速。此外，科学家们还不知道暗物质究竟是什么，也不知道暗能量的本质和起源，即使他们确信它们存在。

的确，没有人确切知道遥远的过去究竟发生了什么。而关于未来的预测我们就更应当小心，因为它必然依赖于一些似乎不言自明的假设。例如，预测所引用的定律的真实性和不变性，物理学常数的不变性等等。实际上，越来越多的宇宙观测证据已经表明，尤其是美国天文学家布罗卡斯等人发现，精细结构常数很可能随着宇宙年龄的增长而在不断变化。这一常数给出了电磁相互作用固有强度的一个量度，它由基本电荷量(e)、普朗克常数(h)和光速(c)组成，其值近似为1/137。一些人猜测，其中随时间变化的常数正是我们现在认为是恒值的光速。

加速膨胀的宇宙意味着什么呢?它将意味着数以千亿计的星系将一个接一个地从我们的视野中消失，大约100亿年后，银河系将成为惟一可以直接看到的星系。那时，太阳将收缩成一颗白矮星，只能发出极其微弱的光和热，并开始进入一个将持续100万亿年的慢性死亡期。

其他的恒星也将面临同样的命运，只有很少的恒星以超新星形式结束它们的生命。最终，剩下的只有黑洞、星体爆发的余烬以及行星的废壳。整个宇宙将是寒冷而黑暗的。根据密歇根大学的天文学家阿达姆斯的预测，所有这些死亡物质还将继续坍缩成黑洞，而这需要经过1027年之久。

科学家们是倾向于保守观点的。他们坚持认为这些关于暗物质、暗能量以及平坦宇宙的发现必须经过严格证实后才能被无保留地接受。结果可能是，一个爱因斯坦式的宇宙常数被认为是暗能量的主要来源，但是它可能是本质上完全不同的东西—— 一种可以改变方向并最终使引力加强的力。

无论如何，新一轮的检验已经开始进行。最近，美国发射了一颗卫星要对宇宙微波背景辐射进行迄今为止最灵敏的观测。美国航空航天局也已决定放置一台专用望远镜用于观测超新星，而其他地面上的高空探测气球上的观测仪器也在不断使观测结果变得更加精确。

如果最新的结果的确是正确的，那么关于宇宙的一些最重要的问题，如宇宙的年龄、它的组成以及它的命运等等，就已经获得了答案。我们可以说，关于宇宙历史的最后篇章至此已经谱写完成。可以设想，在那个遥不可及的寒冷而黑暗的未来，意识生物仍然可以存在，只是以一种完全不同的载体存在。而且他们会说，在那遥远的过去，宇宙中曾经闪耀过不计其数的美丽星辰，而今它却是一个寒冷、黑暗和凄凉的世界。