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第5章 宇宙的生与死

在这一章中,我想从《三体I》一书中智子用幻象改变宇宙背景辐射这一情节开始。

汪森是一位应用物理学家,专门研究纳米科学。因为纳米丝可能成为制造太空梯的材料,结果汪森成为三体人和“地球三体组织”打击的目标,他们企图通过让他的眼睛不断地看到倒计时以及让他看到宇宙闪烁来逼疯他。

汪森见到了“地球三体组织”的成员申玉菲,后者让他在更大的尺度上看到倒计时——也就是让宇宙微波背景辐射整体闪烁,他们约好的观看时间是三天后凌晨一点至五点之间开始闪烁。汪森为此专门去了一趟国家天文台的密云观测站:

……沙瑞山博士的实验室主要接收三颗卫星的观测数据:1989年11月升空、即将淘汰的微波背景探测卫星COBE,2001年发射的威尔金森微波各向异性探测卫星WMAP和2009年欧洲航天局发射的普朗克高精度宇宙微波背景探测卫星Planck。

宇宙整体的微波背景辐射频谱非常精确地符合温度为2.726K的黑体辐射谱,具有高度各向同性,但在不同局部也存在大约百万分之五涨落的幅度。沙瑞山的工作就是根据卫星观测数据,重新绘制一幅更精确的全宇宙微波辐射背景图。这个实验室不大,主机房中挤满了卫星数据接收设备,有三台终端分别显示来自三颗卫星的数据。

沙瑞山见到汪森,立刻表现出了那种长期在寂寞之地工作的人见到来客的热情,问他想了解哪方面的观测数据。

“我想现测宇宙背景辐射的整体波动。”

“您能……说具体些吗?”沙瑞山看汪森的眼神变得奇怪起来。

“就是,宇宙3K微波背景辐射整体上的各向同性的波动,振幅在百分之一至百分之五之间。”

在“宇宙闪烁之一”这一章中,刘慈欣提到了三个卫星,COBE、WMAP和Planck,尤其是Planck,直到2013年才对外释放观测数据,这是《三体I》发表六年之后。

在回忆了叶文洁在“文化大革命”中的遭遇后,隔了30多页,作者才又描述了汪森看到宇宙闪烁的情景:

回到实验室时正好是凌晨一点,当他们将目光投向终端屏幕时,波动刚刚出现,直线变成了曲线,出现了间隔不一的尖尖的波峰,颜色也变红了,如同一条冬眠后的蛇开始充血蠕动了。

“肯定是COBE卫星的故障!”沙瑞山惊恐地盯着曲线说。

“不是故障。”汪森平静地说,在这样的事情面前,他已经初步学会了控制自己。

“我们马上就能知道!”沙瑞山说着,在另外两台终端上快速操作起来。

很快,他调出了另外两颗卫星WMAP和Planck的宇宙背景辐射实时数据,并将其变化显示为曲线——三条曲线在同步波动,一模一样。

沙瑞山又搬出一台笔记本电脑,手忙脚乱地启动系统,插上宽带网线,然后打电话——汪森听出他在联系乌鲁木齐射电观测基地——然后等待着。他没有对汪森解释什么,两眼死盯着屏幕上的浏览器,汪森能听到他急促的呼吸声。几分钟后,浏览器上出现了一个坐标窗口,一条红色曲线在窗口上出现,与另外三条进行着精确同步的波动。

这样,三颗卫星和一套地面观测设备同时证实了一件事:宇宙在闪烁!

这里,作者犯了一个比较大的错误:COBE、WMAP和Planck三颗卫星不可能同时工作,事实是,COBE卫星1993年已经不再运作,WMAP卫星一直工作到2010年,而Planck卫星2009年8月13日开始巡天扫描,与WMAP有一个重合期。.

如果我们将科幻小说当真事看,那么汪森只能是在2009—2010年之间看到宇宙闪烁的。

那么,宇宙微波背景辐射到底是什么?汪森和沙瑞山看到微波背景辐射整体变化时为什么那么吃惊?

这要从宇宙的创生开始说起。

宇宙和宇宙学的诞生

大爆炸宇宙学现在已经广为人知,但知道这个学说由来的人可能并不很多。我们得先讲一下历史,然后再回到宇宙是如何诞生的话题上来。

宇宙学是一门古老的学科,可以追溯到人类文明之始,当然这么追溯并没有多大意思,因此我们还是从牛顿谈起。

一句话,牛顿的宇宙是静态的、无限的,不论是时间还是空间都是无限的。后来,康德从形而上的角度思考过空间的无限问题,觉得空间既不可能无限,也不可能有限,这是康德的二律背反。康德的二律背反现在看起来有点可笑,特别是他关于空间不可能有限的论证,偶尔还会被关心宇宙学但又没有思考过有限无界空间的人拿来当令箭。他论证道,如果空间是有限有界的,必然存在于一个无界的空间中,那么那个无界又不含除了我们的宇宙之外其他事物的纯粹空间是什么?他那时无法想象一个有限无界的空间。比如说,我们知道,地球的表面作为一个曲面是有限的,但没有界,你沿着地球绕一圈,总会绕回来,而不会遇到一堵墙。同样,我们可以想象这么一个三维的宇宙,你在任何一个方向上走,总会走回来。

数学家在19世纪已经能够想象任何弯曲的多维空间,包括三维空间,例如大数学家黎曼就开创了这样的几何学说,现在叫作黎曼几何,它可以描述任何一个有长度概念的弯曲空间。黎曼的理论为爱因斯坦的弯曲时空做好了数学准备。

我们在第三章中介绍了爱因斯坦的广义相对论,在这个理论中,不仅空间,连时间都是弯曲的。所以,在爱因斯坦的理论中,完全可以有一个有限无界的宇宙。

爱因斯坦在建立广义相对论的两年后,就开始思考如何建立数理意义上的宇宙学,因为牛顿从来没有建立严密的宇宙学,这是因为他的理论不允许一个稳定的无限宇宙存在;而爱因斯坦一开始就假设宇宙是有限的,这对于他来说一点困难都没有。

爱因斯坦很快发现,他的理论也不允许一个静止的稳定宇宙存在,原因很简单,万有弓|力在他的理论中还是引力,在引力的作用下宇宙不可能保持静止。爱因斯坦这人从来不惮于创新,广义相对论年龄才两岁,他就觉得这个理论不够用了,得补点妆,于是宇宙学常数就诞生了。这么个东西,在牛顿眼中一定是一个怪物,但这怪物从此在物理学中盘桓不去,现在居然成了物理学中的第一难题,也就是暗能量问题

爱因斯坦引进的是一个常数,本来他的方程有10个,在10个方程中统一加了同一个常数,就相当于在能量引起的万有引力之上又叠加了一个万有斥力。这个万有斥力更加普遍,因为它与物质无关,与物质有多少更加无关,一旦引进这个常数,万有斥力就在这儿了。在没有物质的情况下,宇宙由于万有斥力的存在,不可能保持静止,会一直加速膨胀。有了物质,就有了斥力和引力的竞争,谁占上风宇宙的膨胀加速度就被谁主导。如果恰好平衡了呢?宇宙的膨胀速度就可以既不加速也不减速,当膨胀速度是零的时候也就得到了一个静止的宇宙。

可是爱因斯坦的新宇宙学没有持续多久,就被两个新发展给超越了。首先,德•希特,一位荷兰数学家、物理学家和天文学家发现,爱因斯坦的宇宙学常数可以支持一个不断膨胀且表面上看起来不变的宇宙,在这个宇宙中,除了产生斥力的宇宙学常数外没有一点物质 。很久很久以后,有人为了反对大爆炸宇宙学,也提出了类似的理论,在这个理论中,宇宙不是起源于大爆炸,而是不断地膨胀且物质的密度看上去不变,只是宇宙学常数被不断产生的物质取代——这种稳恒态宇宙模型当然是错误的,已被后来的天文观测否定了 。但数学上,德•希特宇宙和稳恒态宇宙都更加接近最近10年的观测事实:宇宙在膨胀,而且近几十亿年之中在做加速膨胀,这恰好是宇宙常数能够做到的,但不是不断产生的物质使得宇宙膨胀加速。现在的主流观点认为,物质不会无中生有,但真空中有能量,这种能量的存在很像在爱因斯坦方程中引入宇宙学常数。

回到现代宇宙学的诞生时代。在德•希特提出宇宙学常数这个万有斥力支撑的宇宙模型之后,俄国物理学家亚历山大•弗里德曼提出了几种膨胀宇宙模型,这被看成最早的膨胀宇宙模型。虽然被观测证实的现代宇宙模型在细节上与弗里德曼提出的不同,但也还是被冠以弗里德曼模型。宇宙是膨胀的,这和爱因斯坦所想的完全相反,不需要宇宙学常数,宇宙在物质存在之下也会膨胀,只不过,宇宙的膨胀速度变化,与宇宙中的物质有多少以及宇宙空间曲率是正的、负的还是为零都有关系。

在宇宙学家于20世纪末发现宇宙加速膨胀之前,宇宙学家一直认为宇宙在做减速膨胀,这一半对一半错,对的部分是宇宙在膨胀,错的部分是宇宙减速膨胀。但对的部分帮助宇宙学家正确地推测了宇宙起源于一场大爆炸,这是20世纪末宇宙学的主要成就。

宇宙起源于140亿年前的一场大爆炸,这是一个事实,而不是模型或猜测。140亿年这个数字是一个约数,可能是137亿,也可能是138亿,与我们的观测精度有关。

原始火球

大约在140亿年前,由于一个未知(甚至不可知)的原因,我们所处的这部分宇宙处于一个非常小的区域,开始的时候,也就是时间只有10 -32 秒或稍长的时候,这个区域只有大约一毫米大小,整个宇宙的能量以辐射的形式出现,也就是说所有粒子都以接近光速的速度在运动,这时宇宙的总能量要比现在大很多,原因是随着宇宙的膨胀,辐射的能量会变小。物质则不同,随着宇宙的膨胀,总能量保持不变,但能量密度会变小,物质和辐射在膨胀之下都会稀释,辐射的能量稀释得更快。那时,宇宙处于极高的温度,温度大约是10 30 K以上。

我们可以大致估计原始火球刚开始时的总能量,虽然这个数值并不重要。因为在辐射充满宇宙的时候,总能量与宇宙半径成反比,当宇宙膨胀到物质刚开始占上风的时候,宇宙的半径大约是现在的四千分之一,也就是有10000万光年的大小,这比一毫米大了约10 26 倍,可见宇宙在刚开始的时候,能量比我们现在能够看到的能量大了这么多倍,因为从物质开始主导之后,宇宙的总能量几乎不变了。

这个原始火球在产生之后不断地膨胀。由于我们对高能物理的细节还了解得不够,我们并不知道最初的时候到底发生了什么,反正那时整个宇宙充满了以光速运动的粒子,包括所有我们已经知道的基本粒子,如光子、电子、夸克和各种“标准粒子模型”中的粒子还有它们的反粒子(当时所有的粒子都没有质量)。在温度不低于10 28 K时,所有的反物质都和物质湮灭了,只存下物质。这个过程物理学家也不十分清楚,但确知是发生了。在正物质和反物质湮灭之前,正物质只比反物质稍多一些,在大约10亿个物质粒子中,物质粒子只比反物质粒子多出了一个,就是这一个物质粒子在大湮灭之后留下来了,幸存的粒子构成了我们现在这个宇宙中的物质,它们形成恒星和星际物质,甚至暗物质。

当温度降到10 28 k时,物理学家认为我们可以知道宇宙演化的细节了,因为那时的能量已经可以用现在的粒子物理学描述。这时宇宙本身发生了几个重要事件。第一个重要事件是希格斯场发生对称性破缺,基本粒子除了光子等少数粒子之外,都获得了质量。等宇宙再膨胀一点,温度再降低3个量级,夸克等粒子不再是自由粒子,它们抱成团形成了质子和中子。温度再降低两个量级,质子和中子开始形成轻原子核,例如氘、氚、氦、锂和铍。宇宙中的这些轻元素基本都是那时形成的,整个核合成过程从宇宙年龄大约是三分钟开始到二十分钟结束。更重的元素要等到恒星形成之后,在恒星内部才能形成。至于我们身\_体中的钙和铁这些元素,还需要更加晚形成的天体,超新星。

中子含有一个上夸克和两个下夸克,质子含有两个上夸克和一个下夸克,因为下夸克比上夸克重一点,中子也比质子重一点。就是这么一点细微的差别,导致宇宙中中子比质子少。由于氢原子核通常只含有一个质子,而氦原子核既含有质子又含有中子,所以氦占宇宙质量不到四分之一,其余都是氢元素,而更重的元素则更少。宇宙学家用大爆炸理论和核物理预言的氦的比重被天文学家的观测证实了,这是大爆炸宇宙学重要证据之一,也是最早的证据。

在轻元素合成之后,尽管没有什么更重要的事件发生了,但又一个与我们有关的事情正在进行,就是宇宙的原始汤开始形成细小的结构,这些结构是之前发生的物理过程的结果,而它们将成为恒星、星系和星系团最早的种子。

当宇宙年龄是7万年时,物质和辐射比重一样多,此刻辐射只剩下光子和中微子,而物质是质子、电子以及轻元素 ,此时宇宙仍然是不透明的,光子不断地与其他物质粒子发生碰撞、被吸收和被辐射。7万年看上去是一个很古老的年龄,但和140亿年相比,就像一天与三分之一秒相比。当宇宙年龄是38万年时,宇宙冷却到不到3000K,几乎所有电子和质子以及轻元素都结合成了不带电的原子,这些中性原子与光子不再发生作用,光子在原始汤中开始自由行走,也就是说,宇宙变得透明了。

此后,这些光子绝大多数没有和物质再发生什么关系,它们走到今天,就是本章开始时提到的微波背景辐射中的光子,它们也有温度,这个温度在今天看来非常非常低,只有2.7255K,这个波段相当于微波,峰值波长是1.9毫米,而不是《三体I》误说的7厘米。

微波背景辐射含有非常丰富的内容,记录着宇宙早期的信息,也就是宇宙变得透明之前的历史,同时,由于这些光子从宇宙38万年时旅行到今天要经过很多很多天体,也记录了宇宙不同时期的结构。天文学家从微波背景辐射中得到了很多关于宇宙的信息,这些实验就是本章开头所说的《三体I》里提到的三颗卫星COBE、WMAP和Planck,另外,地面上也有很多类似的实验。

发现微波背景辐射是大爆炸宇宙学的重大事件。这事发生在20世纪60年代,发现者是两位与宇宙学完全无关的物理学家彭齐亚斯和威尔逊。这个发现是大爆炸的第二个有力证据,两位发现者因此在1978年获得诺贝尔物理学奖。

微波背景辐射的成分就是光子。它们在宇宙只有38万年的时候与物质不再发生作用,在宇宙膨胀之下逐渐“冷却”,从大约3000K降到不到3K。辐射的降温是一个非常有趣的现象,可以用好几个直观的方式解释。其中一个是这样的:想象光子为波,即电磁波,它的波长随着宇宙膨胀被拉长。因为光波是速度最快的波,在空间中被拉长的时候,不会有其他效应(例如声波被拉长时与物质有关),所以波长的变化和宇宙尺度的变化是一样的。宇宙变得透明时的尺度是现在尺度的千分之一,现在光子的波长也是那时的1000倍。在热辐射中,光子的波长与光子的能量或辐射的温度呈反比,这样,现在微波背景辐射的温度就是那时的千分之一,变成不到3K了。

光子波长的变长就是红移,这个现象又可以用多普勒效应来解释:宇宙诞生38万年时光子从远处发出,到今天才被我们接收到。发出光子的那一点距离我们非常遥远,从而相对我们有一个很大的退行速度,多普勒效应引起光子波长变长。

史前宇宙

前面说到,当宇宙年龄仅有10 -32 秒或稍长的时候,宇宙发生了大爆炸,更准确地说,宇宙处于热大爆炸状态,那时宇宙充满了炙热的基本粒子“气体”。那么,在10 -32 秒之前,宇宙处于什么状态?

我们可以将热大爆炸发生之前的那段历史标为史前期,尽管极为短暂,连“一眨眼”都不足以形容。宇宙学家如何看待那段时间呢?

事实上,COBE、WMAP和Planck这三颗卫星尽管是为了观测宇宙微波背景辐射而设计的,通过研究可获取宇宙历史的信息——如宇宙中到底有多少物质、宇宙现在的年龄有多大、宇宙中的能量组分[例如暗能量占多大比重(宇宙学常数的一种推广,它导致宇宙加速膨胀)],但是,鼓动这些耗资巨大的观测计划的物理学家还有一个更大的目标,就是探测宇宙的10 -32 秒之前的史前期。

为什么通过测量微波背景辐射我们可以探测宇宙的史前期?这得从20世纪70年代末一位混得不怎么得意的物理学博士后说起。

他是康奈尔大学的阿兰•古斯。1979年他32岁,不算小了,8年前他就开始在普林斯顿大学做博士后研究。

他在获得博士学位后一直研究粒子物理,不是宇宙学。从麻省理工学院毕业后,在普林斯顿做博士后期间研究夸克,后来去哥伦比亚大学,研究大统一理论,因为那时大统一理论最红。他在这段时间的研究对他后来能够提出

“暴涨论”非常重要,因为他研究了大统一理论中的相变和对称性破缺。

他怎么又突然研究起宇宙学了,而且一上来就提出在热大爆炸之前,宇宙有一个极短的暴涨期,在此期间,宇宙尺度至少膨胀了10 26 倍呢?据他自己说,在康奈尔大学期间,普林斯顿的物理学家罗伯特•迪基去康奈尔大学演讲,内容是关于宇宙学中的所谓空间平坦性问题,这个问题引起了古斯的极大兴趣。

迪基是一位传奇式的物理学家,别的不说,他拥有制造红外激光的专利,同时又是微波背景辐射的预言者,可惜他没有能够在彭齐亚斯和威尔逊之前发现微波背景辐射。

回到他在康奈尔大学的演讲。迪基在演讲中提出,不论今天的宇宙在空间上是否是弯曲的,它在早期的弯曲一定非常微小,否则宇宙不可能膨胀到今天这么大(半径超过400亿光年),因为假如早期宇宙的空间曲率稍微大一些,就会导致宇宙还没有长成就塌缩回去。越是早期,宇宙中的物质密度越高,空间曲率导致宇宙塌缩的可能性就越大,这就要求越是早期,宇宙的空间曲率越小。宇宙为什么在刚刚诞生时非常平坦?这个问题,叫作宇宙平坦性问题。

古斯在康奈尔大学的那段时间中,华人物理学家戴自海在那里做助理教授。古斯在和戴自海的讨论中发现,大统一理论中可能发生的相变会驱使宇宙指数式膨胀,在极短的时间内,如10 -32 秒内宇宙的尺寸会膨胀至少10 26 倍,不论宇宙起初是否是平坦的,在加速膨胀了这么大倍数后也会变成平坦,这样就很好地解决了宇宙平坦性问题。这个由大统一理论驱动的宇宙加速膨胀期叫作暴涨时期。假如我们的宇宙在暴涨结束时有1毫米大小,那么在暴涨发生之前,这个区域只有不到10 -29 米,比我们用高能粒子加速器能够探测的最小空间尺度还要小。

古斯在哥伦比亚大学研究大统一理论时就知道,如果宇宙在早期发生相变,宇宙会出现很大的不均匀性,也会有一个宇宙尺度上的结构出现,现在,暴涨可以让这些结构和不均匀性消失。

在提出暴涨论后不久,古斯就从同行那里听到另一个宇宙学问题,叫作视界问题。这个问题也很容易对外行解释。今天,我们可以在宇宙的所有方向上测量宇宙微波背景辐射,发现所有方向上的光子温度几乎是一样的。在古斯提出暴涨论30多年后的今天,我们知道光子温度的变化只有百万分之五。要知道,我们看到的光子是宇宙只有38万年时发出的,光子出发的地方现在距离我们非常遥远,大约400亿光年。也就是说,宇宙在400亿光年这个尺度上,在所有方向上,是均匀的。即使将这个巨大的区域倒回到宇宙38万年的时候,也是一个很大的区域(千万光年)。可是,如果宇宙没有经历过加速膨胀,只是减速膨胀了38万年,那么光或者其他什么速度很快的信息传递使者也只能跑80多万光年,为什么宇宙在千万光年的尺度是均匀的?也就是说,宇宙的均匀尺度远远超过了那个时期的“粒子视界”。这是宇宙视界问题。

古斯发现,他的暴涨论也能解决这个问题。这样,暴涨论一举解决了当时的宇宙三大疑难问题。他立刻成名,立刻获得了母校麻省理工学院的教授职位。

在古斯之后,物理学家们发现,即使暴涨时期非常短,却发生了一件非常微妙,同时对于我们来说非常重大的事情。

这个事情,就是我们现在看到的宇宙中奇妙结构的种子。宇宙虽然在大尺度上是均匀的,仔细看看,却一点也不均匀。例如,有无数恒星,这些恒星又成团组成无数星系,星系又组成星系团……这些结构要形成,宇宙在早期必须有一点点不均匀才有可能。这一点点不均匀是哪里来的?

物理学家在20世纪80年代初期发现,这些不均匀性产生于暴涨时期!

驱动宇宙暴涨的能量在10 -32 秒内发生了一点点量子涨落⑤。通常,真空中每时每刻都有量子涨落,但它们不可能遗留下来。在暴涨时期,由于空间迅速膨胀,有些量子涨落产生了还来不及落回去,就被空间的膨胀拉开了,这些涨落非常小,在各个尺度上都有,这就是宇宙中宏伟结构的最初起源。

我们可以说,今天看到的宇宙,起源于一个区域不大于米粒的微观空间,今天的灿烂星空,起源于那时微小的量子涨落。

宇宙在暴涨期之前处于什么状态?有不少理论推测,但是,我们最好不要去想它,因为它实在不可捉摸。

史后宇宙

谈完了宇宙的史前期,我们再来看看宇宙未来将发生什么。

在谈宇宙的未来之前,我们首先应了解我们的宇宙现在的状态。其实,我们不需要知道太多,只需要弄清楚两个重要的问题。

第一个问题:宇宙的膨胀状态如何?是在加速还是在减速?

第二个问题:宇宙中的能量组分都有什么?

在1998年以前,几乎所有人都相信宇宙虽然在膨胀,但膨胀在减速,将来的很多很多年之后,膨胀的速度可能无限趋近于零,也可能会降低到零,然后宇宙开始收缩变小。这是一个自然的想法,自从大约100亿50年前发生的大爆炸以来宇宙一直在膨胀,但目前的膨胀速度已经比宇宙早期变小了很多,许多人认为宇宙的膨胀一直在减速,观测也似乎支持这个自然而然的想法。有趣的是,几乎没有人质疑过观测数据,尽管现在回头看那以前的观测数据,并没有在严格的意义上告诉我们宇宙的膨胀在减速。

为什么物理学家特别相信宇宙膨胀的速度在减小呢?这是因为主导宇宙的力是万有引力,即使爱因斯坦理论也不能改变这个事实,我们前面就提到爱因斯坦为了获得一个静止的宇宙引入了万有斥力。在万有引力的主导下,宇宙中所有天体之间的相对速度都会变小。物理学家一般都特别相信一个被检验过很多次的理论,尤其当理论还特别漂亮的时候。在1998年之前,几乎没有人想过,无论是牛顿的万有引力理论还是爱因斯坦的理论,从来没有在宇宙的尺度上,即上百亿光年的尺度上被精确地检验过。万有引力理论其实只是在地球上和太阳系中被精确地检验过。

我们会对物理学家的态度感到惊奇:为什么他们想当然地认为宇宙的膨胀在减速,为什么当两组宇宙学家在1998年抛出两篇论文声称发现宇宙在加速膨胀时几乎所有物理学家都感到十分惊讶?我也属于那个不敢置信的人群。现在回过头去看,虽然觉得物理学家们的反应有点不对头,但这种反应也可以理解——人类总是对新事物怀有抗拒心理。

另外,物理学家抗拒宇宙加速膨胀还有物理上的依据。虽然爱因斯坦引进了斥力,但他的斥力实在不可思议,它太弱小了,在太阳系中根本没有任何效应,没有人能够设计出实验检测到万有斥力,它在宇宙尺度上引起的加速度只有10 -8 厘米每平方秒,这个加速度如果不是因为遥远天体具有累计效应,谁也不可能看出来。的确,两组宇宙学家是通过数十亿光年外的超新星的退行速度变化才发现宇宙在加速膨胀的。

爱因斯坦的万有斥力随着距离线性增加,那么,宇宙膨胀的加速度在太阳系中远远不到10 -8 厘米每平方秒,这更加难以测量了。

如果宇宙的膨胀速度一直加速下去,那么数百亿年后,我们的邻近星系就会看不见了。当所有恒星燃烧殆尽之后,银河系虽然不会解体,但我们根本无法航行到其他星系了。

爱因斯坦的万有斥力只是宇宙加速膨胀的解释之一,从现代物理学的观点来看,他的理论相当于认为真空中存在某种永远不会因为宇宙膨胀而稀释的能量,这个能量的密度保持恒定。我们现在的观测手段还不可能确定真空中的能量到底是不是恒定的,只能说这种能量在数十亿年中的变化不大,在数亿年或更短的时间内几乎不变。这种能量叫作暗能量。

暗能量的性质决定了我们宇宙的命运,我们几乎可以这么说。这是因为,暗能量现在是主导宇宙的能量,它占宇宙中所有能量的百分之六十以上,而我们肉眼能够看到的物质以及肉眼看不到的暗物质只有不到百分之四十,而微波背景辐射占宇宙能量的组成只有万分之一。还有别的能量形式吗?中微子应该也占万分之一左右。

我们稍微谈一下暗物质,它是暗能量之外占宇宙能量组分最大的。这种物质看不见摸不着,但天文学家在20世纪60年代,最早甚至可以追溯到20世纪30年代,就发现它的存在了。它的存在导致星系和星系团的万有引力比可见物质(恒星,分子云等等)引起的万有引力大得多,天文学家通过观测恒星围绕星系中心的运动速度可以推断出暗物质要比普通物质多了5~6倍。

不论是普通物质、暗物质,还是辐射,这些能量密度在宇宙空间膨胀下被稀释,而暗能量呢,在数十亿年之内没有明显的变化。也就是说,数十亿年到上百亿年之后,暗能量不仅主导宇宙,还远远高于其他能量份额,这样,宇宙的加速膨胀更加明显。但是,万一暗能量密度在更长的时间之后也变小,那我们就不能肯定宇宙的膨胀会永远加速下去,也许终有一天宇宙的膨胀会开始减速。

还有一种可能——对于某些人来说,这是更加可怕的可能:暗能量密度其实在慢慢变大,只是我们还不能看出来,也许20年之内我们能通过更加精确的观测看出来。如果是这样,暗能量密度会在有限时间内变成无限大,也就是说,万有斥力变成无限大。不需要专家我们都能推测将会发生什么,宇宙中所有空间和物质都会被撕裂,没有任何力——如强相互作用,会比万有斥力更大。这样,当万有斥力的强度达到一定程度,银河系首先被撕裂,然后是地球被甩出太阳系,接着是月亮被甩出地球的引力范围,然后地球本身被撕裂……直到每个原子、每个原子核、每个质子和中子都被撕裂。

这样的恐怖结果叫大撕裂。有趣的是,不少物理学家还倾向于认为现有的观测数据支持暗能量密度在增大。有一些现象确实让我们觉得情况有点不妙,例如,最新的Planck卫星测量到的宇宙目前膨胀速度要比哈勃卫星直接观测的小一些。要知道,Planck卫星只能观测微波背景辐射,这是宇宙诞生只有38万年时的遗迹,它只能间接地告诉我们宇宙现在的状态,这些遗迹所含的信息也被宇宙后来的演化所改变,要想推论宇宙现在的状态,如宇宙现在的膨胀速度、各种能量组分,还需要假设宇宙在过去是如何演化的,例如假设暗能量密度一直不变。如果我们允许暗能量密度变大,那么Planck卫星的观测数据也会告诉我们宇宙现在的膨胀速度会大一些,和哈勃卫星的观测结果一致。

我们也许永远无法弄清楚宇宙在发生暴涨前的状态,但我们应该会知道宇宙的宿命,到底是一直膨胀下去,还是有一天会减速刹车,或者……发生大撕裂。


注释

宇宙学观测发现,我们的宇宙正在经历一个加速膨胀的过程,科学家把引起加速膨胀的因素叫作暗能量。爱因斯坦的宇宙学常数是暗能量的一个候选者。

德希特模型中的宇宙一直在膨胀,但由于宇宙学常数不随时间变化,表示膨张速度的哈勃参量也不随时间变化,所以整个宇宙看似没有任何事物随时间变化,“表面上看起来不变”。

稳恒态宇宙膨胀时本应使其中的物质变得稀薄,但是该模型的提出者假设物质会在宇宙各处源源不断地产生,使物质的密度保持常数。

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