宇宙：無(wú)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(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(chǎng)大爆炸，正是大爆炸產(chǎn)生了包括時(shí)間、空間和物質(zhì)在內(nèi)的所有一切。20世紀(jì)60年代，天文學(xué)家們找到了宇宙起源的一些直接證據(jù)。1965年，貝爾實(shí)驗(yàn)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(lái)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(shí)驗(yàn)證明。

宇宙的大小

對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，精確地測(cè)繪宇宙天體不僅是必要的，而且也是可能的。天文學(xué)采用的計(jì)量單位是“光年”，即光在一年里所走的距離。光的前進(jìn)速度約為每秒30萬(wàn)千米，一光年大約是9．7萬(wàn)億千米。銀河系的直徑約為10萬(wàn)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(lèi)星體位于我們目前所能觀測(cè)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(yuǎn)的天體。

如此遙遠(yuǎn)的距離簡(jiǎn)直令人難以想象。要測(cè)量太陽(yáng)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(jì)算法。所謂視差，是指從兩個(gè)觀察位置觀察同一物體時(shí)兩道視線所形成的夾角。在天文學(xué)中，測(cè)定視差的方法就是把兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)與被觀測(cè)的天體構(gòu)成一個(gè)三角形，已知兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)連線(即基線)的長(zhǎng)度，再?gòu)倪@兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)測(cè)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(zhǎng)，求得的結(jié)果就越精確。通常，在測(cè)量離地球較近的天體如月亮的距離時(shí)，可以用地球的半徑作基線，所測(cè)定的視差則稱(chēng)為“周日視差”。如果要測(cè)定太陽(yáng)系以外天體的距離，一般都以地球與太陽(yáng)的距離為基線，所測(cè)定的視差稱(chēng)為“周年視差”。用這種視差法測(cè)量相距8．6光年以內(nèi)的天體非常準(zhǔn)確，測(cè)量遠(yuǎn)至1000光年的天體也能做到大體準(zhǔn)確。

另一種測(cè)量恒星距離的方法是亮度測(cè)定法。一顆恒星可能因體積大、運(yùn)動(dòng)活躍或距離地球較近而顯得很光亮。只要分清星球的實(shí)際亮度和視覺(jué)亮度，就能從光亮度上準(zhǔn)確測(cè)出恒星與地球之間的距離。本世紀(jì)初，天文學(xué)家按波長(zhǎng)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(xué)家辨別貌似暗淡的小星是否是遙遠(yuǎn)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(jìn)行比較，就能測(cè)量出這顆星與地球之間的距離。

宇宙中的物質(zhì)

根據(jù)愛(ài)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。現(xiàn)在，我們的宇宙本來(lái)應(yīng)該純粹因物質(zhì)而變平，但是觀測(cè)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(lái)自一種不可見(jiàn)的能量，并且正如所需要的那樣多。如果所有這些觀測(cè)結(jié)果被進(jìn)一步證實(shí)，那么天文學(xué)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(cè)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(wú)一物。因此，科學(xué)家們猜測(cè)，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(tuán)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(lái)的超星系團(tuán)，而它們當(dāng)時(shí)也會(huì)顯得更熱。于是，科學(xué)家們開(kāi)始在今天的宇宙微波背景輻射中尋找這些強(qiáng)度更大的熱點(diǎn)。

大約十年前，cobe探測(cè)衛(wèi)星的確探測(cè)到了宇宙微波背景輻射的這種不均勻性。2001年4月，來(lái)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，宇宙早期的原初火球中的團(tuán)塊或不均勻性并不是無(wú)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?yàn)橹肋@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(gè)宇宙的信息。

計(jì)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(lái)自于一些理論所預(yù)測(cè)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(kāi)始于30萬(wàn)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(gè)重要的信息，即宇宙是如何彎曲的。新的測(cè)量結(jié)果顯示，宇宙實(shí)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(yàn)。根據(jù)暴脹理論，宇宙就應(yīng)當(dāng)是平坦的，而現(xiàn)在它的確是。

宇宙在膨脹

20世紀(jì)20年代，美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃在加利福尼亞州的威爾遜山用當(dāng)時(shí)世界上最大的反射式望遠(yuǎn)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(zhǎng)都移向紅色一端。這種現(xiàn)象叫做紅移，說(shuō)明那些星系正在向遠(yuǎn)處飛離。波長(zhǎng)的改變是多普勒效應(yīng)的作用，與疾駛而去的汽車(chē)?yán)嚷曊{(diào)的變化是同樣道理。由于宇宙在不斷膨脹，星系距我們?cè)竭h(yuǎn)，紅移就越大。換而言之，越遠(yuǎn)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(xué)家們的看法并不一致。最保守的估計(jì)是，距離增加百萬(wàn)光年，則速度每秒約增加16千米，即一個(gè)距我們5億光年的星系將以每秒約8047千米的速度遠(yuǎn)離地球。有些天文學(xué)家估計(jì)的速率比這個(gè)數(shù)字還要大一倍。按照第一種估計(jì)，宇宙中最遙遠(yuǎn)的天體距離地球約有100億光年。而按第二種速率計(jì)算，則宇宙邊緣距離地球達(dá)200億光年之遙。

宇宙的最終命運(yùn)

從天文學(xué)家埃德溫·哈勃1929年發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹以來(lái)，經(jīng)典的創(chuàng)世大爆炸理論經(jīng)過(guò)了幾十年的不斷修改。根據(jù)這一理論，宇宙的最終命運(yùn)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(guò)去100多億年的時(shí)間里，宇宙的擴(kuò)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(dòng)器一樣使宇宙擴(kuò)張的速度逐漸放慢。

這個(gè)問(wèn)題非常簡(jiǎn)單。如果萬(wàn)有引力足以使擴(kuò)張最終停止，那么宇宙就注定會(huì)發(fā)生坍縮，最終變成一個(gè)大火球——同創(chuàng)世大爆炸相當(dāng)，但過(guò)程正好相反的“大崩墜”。如果萬(wàn)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(gè)令人感到“不快”的黑暗和寒冷的世界。恒星是通過(guò)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(lái)產(chǎn)生能量的。當(dāng)恒星內(nèi)部?jī)?chǔ)存的氫和氦消耗殆盡的時(shí)候，衰老的恒星上燃燒的火焰會(huì)因?yàn)闆](méi)有新的原子來(lái)替代已經(jīng)消耗掉的原子而熄滅，同時(shí)宇宙也會(huì)逐漸變成一個(gè)漆黑一團(tuán)的空間。

宇宙生命的去向

隨著時(shí)間的推移，宇宙可能會(huì)讓人覺(jué)得越來(lái)越“不舒服”，并且最終變得不再適于生命存在。有的科學(xué)家認(rèn)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(dāng)于地球歷史的20倍，或者相當(dāng)于智人(現(xiàn)代人的學(xué)名)歷史的500萬(wàn)倍。

如果宇宙的最終命運(yùn)是熊熊烈火，“大崩墜”就會(huì)熔化一切，甚至亞原子粒子也難逃厄運(yùn)。另一方面，如果宇宙以無(wú)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(zhǎng)一段時(shí)間——智慧生命可以通過(guò)從黑洞中提取引力能來(lái)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(duì)零度)的情況下設(shè)法維持生存，就像是要利用一潭死水來(lái)推動(dòng)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(yuǎn)未來(lái)的先進(jìn)文明也許有能力熔化許多恒星甚至整個(gè)星系，從而生起一堆巨大的“篝火”，或者使宇宙的長(zhǎng)期發(fā)展朝著對(duì)這一文明有利的方向前進(jìn)。在宇宙逐漸衰亡的沒(méi)落時(shí)期，生活也許會(huì)變得非常枯燥乏味，但是這種生活可能會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)的時(shí)間。