宇宙的未來

孫文德

在晴朗的夜晚，在城市的郊區或僻靜的鄉村，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據所證實，它清晰地顯示出整個宇宙正在膨脹。1948年，俄裔美籍物理學家伽莫夫等人首次提出了宇宙大爆炸理論。根據這一理論，我們的宇宙起源于一場大爆炸，正是這場大爆炸產生了包括空間、時間和物質在內的所有一切。20世紀60年代，天文學家找到了宇宙起源的一些直接證據。1965年，貝爾實驗室的射電天文學家彭齊亞斯和威爾遜發現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據。

宇宙微波背景輻射的發現使科學家們確信宇宙的確起源于約150億年前的一場大爆炸。之后，科學家們開始著手了解這一過程的更多細節。他們的任務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生宇宙微波背景輻射的最初原始物質團塊的某種分布不均勻性。稍微稠密的地方就產生了后來的超星系團，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。結果顯示，宇宙早期原始火球中的團塊的不均勻性并不是無規律的，而是具有某種固定的尺寸。這一結果具有極端的重要性。因為知道這些冷熱區域的溫度和特征尺寸可以讓科學家們知道所有關于我們這個宇宙的信息。

計算顯示，所有已知的物質只占宇宙總質量的5％，而余下有30％的物質可能來源于一些理論所預測的神秘粒子，如軸子等。它們就是所謂的神秘的暗物質。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年前科學家古斯所提出的暴漲理論得到了一次關鍵性的檢驗。根據暴漲理論，宇宙就應當是平坦的，而現在它的確如此。

根據愛因斯坦的理論，宇宙的曲率由它所含有的物質和能量決定。現在，我們的宇宙本來應該純粹由物質組成，但是觀測數據卻顯示已知的物質和暗物質加在一起也只占總數的35％。因此，其余的物質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果被進一步證實，那天文學家將可以肯定地給出宇宙的成分清單：5％的普通物質，30％的暗物質以及約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，那么它又會如何結束它的生命呢?實際上它只有兩種選擇：要么永遠膨脹下去，星系間不斷相互遠離，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，當宇宙不斷膨脹時，宇宙中所有物質的引力會導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，那么膨脹將一直進行下去。那么宇宙的命運到底會怎樣呢?發現答案的直接方法就是稱一下宇宙的重量，即測量所有星系、所有星體的質量，計算它們所產生的引力，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生。

但是，困難在于沒有人知道宇宙中究竟有多少物質。星體和星系的數量比較容易計算，因為它們是可見的，但是自從20世紀30年代以來人們就知道宇宙中還存在一些看不見的物質——暗物質，其主要證據來自于天體動力學。科學家們對宇宙中各種星系的運動情況進行了精確測量，測量結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。然而，在那些遠離星系的空間中這種方法就無法探測到是否也有暗物質存在了。

于是，科學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。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。請注意更遠的宇宙正對應于更年輕的宇宙，因為從那些地方發出的光剛剛到達我們這里，它們是在宇宙很年輕時發出的。

與此同時，美國加利福尼亞勞倫斯－伯克利實驗室的索爾·玻姆特也在進行類似的研究工作。他在尋找一種Ia類型的超新星的爆發。它發生于一個老年恒星結束它的生命之時，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，他們的研究都發現了一些奇怪的事件。人們預計宇宙的膨脹速度應當減慢很多或一點，這取決于宇宙中是否含有更多或更少的物質，而作為結果更遠的超新星與較近的相比應當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!這一結果也暗示了宇宙中存在某種具有反引力效應的暗能量，它們迫使星系間更快地遠離。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果就更令人信服。這一發現獲得了美國《科學》雜志1998年度的科學發現獎。

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項以使整個宇宙保持靜止。這一常數項被稱為宇宙常數，它導致了一種支撐宇宙的反引力。

1927年，當哈勃發現宇宙膨脹之后，愛因斯坦不得不去掉那個人為引入的宇宙常數。他后來稱這一常數的引入是他一生中最大的失誤。即使這樣，關于宇宙常數的想法并沒有銷聲匿跡。據量子理論，真空中的確應當充滿一種與反引力具有相同效應的能量。問題在于，量子理論所計算出的這種能量是如此之大，以至于它將導致宇宙在還未形成原子時就已經四分五裂了，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果，一些天文學家仍表示懷疑。也許超新星的亮度數據不準確，也許來自遙遠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，科學家們還不知道暗物質究竟是什么，也不知道暗能量的本質和起源，即使他們確信它們存在。

的確，沒有人確切知道遙遠的過去究竟發生了什么。而關于未來的預測我們就更應當小心，因為它必然依賴于一些似乎不言自明的假設。例如，預測所引用的定律的真實性和不變性，物理學常數的不變性等等。實際上，越來越多的宇宙觀測證據已經表明，尤其是美國天文學家布羅卡斯等人發現，精細結構常數很可能隨著宇宙年齡的增長而在不斷變化。這一常數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(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正是我們現在認為是恒值的光速。

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，只能發出極其微弱的光和熱，并開始進入一個將持續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束它們的生命。最終，剩下的只有黑洞、星體爆發的余燼以及行星的廢殼。整個宇宙將是寒冷而黑暗的。根據密歇根大學的天文學家阿達姆斯的預測，所有這些死亡物質還將繼續坍縮成黑洞，而這需要經過1027年之久。

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

無論如何，新一輪的檢驗已經開始進行。最近，美國發射了一顆衛星要對宇宙微波背景輻射進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果變得更加精確。

如果最新的結果的確是正確的，那么關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，就已經獲得了答案。我們可以說，關于宇宙歷史的最后篇章至此已經譜寫完成。可以設想，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，在那遙遠的過去，宇宙中曾經閃耀過不計其數的美麗星辰，而今它卻是一個寒冷、黑暗和凄涼的世界。