宇宙：從開始到最后

布萊恩施密特(Brian+Schmidt)

我們的宇宙正在加速膨脹，1000億年以后，除了我們所在的銀河系，所有星系都將消散，人們看到的宇宙將空無(wú)一物宇宙的形成和演變

宇宙是由空間、時(shí)間、物質(zhì)和能量所構(gòu)成的統(tǒng)一。隨著文明的進(jìn)步和科技的發(fā)展，我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)也慢慢地步入了正軌，至少得到了部分的證實(shí)。公元2世紀(jì)，托勒密提出了一個(gè)完整的地心說(shuō)；1543年，哥白尼提出了日心說(shuō)；1609年，開普勒發(fā)展了日心說(shuō)，伽利略則用望遠(yuǎn)鏡從事實(shí)的角度證實(shí)了其正確性。

宇宙是一個(gè)有層次結(jié)構(gòu)的、物質(zhì)形態(tài)多樣性的、不斷運(yùn)動(dòng)發(fā)展的天體系統(tǒng)，這是當(dāng)代天文學(xué)的研究成果。關(guān)于宇宙的形成，首先映入腦海的肯定是大爆炸理論：大爆炸模型認(rèn)為，最初的宇宙是超高溫、高密度的一點(diǎn)。大約180億年前，這一點(diǎn)突然爆炸了，僅用了10—36秒，這一點(diǎn)進(jìn)行了幾十個(gè)數(shù)量級(jí)的膨脹。形成了一厘米規(guī)模的宇宙，之后經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的演變，形成了今天的宇宙。而愛因斯坦廣義相對(duì)論也預(yù)言了：空間——時(shí)間在大爆炸奇點(diǎn)處開始，并在大擠壓奇點(diǎn)處或在黑洞中的一個(gè)奇點(diǎn)中結(jié)束。

大爆炸理論也驗(yàn)證了我們思想家的直覺(jué)，正如柏拉圖的“從一發(fā)散”以及《道德經(jīng)》中“一生二，二生三，三生萬(wàn)物”的觀點(diǎn)，宇宙大爆炸伊始，只有能量，而這里的“一”便是能量。

關(guān)于宇宙加速膨脹

科學(xué)家哈勃在1929年測(cè)試到宇宙在膨脹。他是通過(guò)衡量星系之間的距離以及這些星系以多快的速度在離我們遠(yuǎn)去而得出這一結(jié)論的。今天，科學(xué)家也在衡量這些距離，研究超新星。他們做的實(shí)驗(yàn)和哈勃從事的是一樣的，但是，他們測(cè)量的是非常遙遠(yuǎn)的星體。因?yàn)槭穷愃频膶?shí)驗(yàn)，他們?cè)诒容^現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，發(fā)現(xiàn)了宇宙的膨脹在加速。

此前，天體物理學(xué)家曾經(jīng)普遍認(rèn)為，引力會(huì)使宇宙的膨脹速度逐漸減緩。但在1998年，我所帶領(lǐng)的高紅移超新星搜索隊(duì)與超新星宇宙學(xué)計(jì)劃這兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，分別發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的速度并非如預(yù)期一樣減緩或是停滯，而是正在加速。我們本來(lái)以為，自己會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在減速的跡象，這種減速將決定宇宙會(huì)終結(jié)于烈火還是寒冰。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了完全相反的事實(shí)——宇宙膨脹正在加速。

科學(xué)家們說(shuō)，宇宙還會(huì)繼續(xù)加速膨脹，至少現(xiàn)在人類還沒(méi)有任何方式可以阻止這一趨勢(shì)。宇宙越膨脹，暗能量越多，暗能量將和宇宙一起并跑，這樣宇宙膨脹會(huì)越來(lái)越快，以至于使得光子無(wú)法從星系抵達(dá)地球，我們?cè)谶b遠(yuǎn)的未來(lái)再看宇宙時(shí)，它完全是空的。因?yàn)槲覀兡軌蚩吹玫降亩家呀?jīng)膨脹了，光的速度已無(wú)力可追及。

為了解釋這個(gè)令人困惑的現(xiàn)象，天文學(xué)家導(dǎo)入了“暗能量”概念。這種未知形式的能量可以抵抗重力并讓宇宙加速膨脹。除非暗能量突然消失，否則宇宙將繼續(xù)越來(lái)越快地膨脹下去，最終走向消散。1000億年后，如果人類還存在的話，將會(huì)比現(xiàn)在更加孤獨(dú)。到時(shí)，我們的銀河系還會(huì)在，并且和一些附近的星系合并，但是其他所有我們今天能看到的宇宙天體都會(huì)離我們太遠(yuǎn)而無(wú)法觀測(cè)到。也就是說(shuō)，除了我們自身所在的星系，所有的星系都將消失。

研究的測(cè)量方法

我們?cè)臼窍霚y(cè)量到宇宙減速膨脹，試圖測(cè)量出宇宙膨脹的速度是如何減慢的。采用的方法，從原理上講，跟60多年前天文學(xué)家所用的方法是一樣的——那就是給遙遠(yuǎn)的恒星定位，并測(cè)量它們?nèi)绾芜\(yùn)動(dòng)。然而，說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。自漢麗埃塔勒維特發(fā)現(xiàn)造父變星的秘密以來(lái)，天文學(xué)家在越來(lái)越遠(yuǎn)的距離上找到了許多其他的造父變星。但在天文學(xué)家所要測(cè)量的距離上，即數(shù)十億光年以外，造父變星已經(jīng)無(wú)法看見。宇宙標(biāo)尺必須延長(zhǎng)才行。

超新星，也就是恒星的爆炸，成了新的標(biāo)準(zhǔn)燭光。地面和太空中越來(lái)越先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，以及越來(lái)越強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在20世紀(jì)90年代開啟了全新的可能性，讓我們有能力為宇宙學(xué)拼圖填上更多空缺的內(nèi)容。

這條研究道路上存在太多潛在的陷阱，事實(shí)上令這些科學(xué)家能夠放下心來(lái)的原因在于我們得出了驚人但卻相同的結(jié)果：總的來(lái)說(shuō)，我們發(fā)現(xiàn)了大約50顆遙遠(yuǎn)的超新星，它們的星光似乎比預(yù)期的要暗。通常認(rèn)為，這些正在爆炸的星體具有相同的發(fā)光度，通過(guò)測(cè)定發(fā)光度可以推算出這些超新星的距離。但研究結(jié)果出乎預(yù)料，這些超新星的發(fā)光度要小于按照原先給定的宇宙膨脹速率計(jì)算出的數(shù)值，這說(shuō)明超新星離地球的距離要比想象的遠(yuǎn)，也說(shuō)明宇宙在“暗能量”的影響下正在加速膨脹。我們的發(fā)現(xiàn)第一次提出了“暗能量”存在的令人信服的證據(jù)。這一結(jié)果與科學(xué)家事先的預(yù)期完全相反。如果宇宙膨脹越來(lái)越慢的話，超新星應(yīng)該顯得更亮才對(duì)。然而，隨著超新星被所在星系裹挾著，以越來(lái)越快的速度相互遠(yuǎn)離，它們的亮度也會(huì)越來(lái)越暗。于是我們得出令人意外的結(jié)論：宇宙膨脹非但沒(méi)有越來(lái)越慢，反而恰恰相反——宇宙膨脹在加速。

宇宙：“暗能量”無(wú)所不在

超過(guò)50個(gè)遠(yuǎn)距離的超新星所發(fā)出的光芒，比預(yù)想中的弱，這是宇宙加速擴(kuò)張的跡象。加速擴(kuò)張的狀態(tài)據(jù)悉是由于暗能量驅(qū)動(dòng)的，這是宇宙中最大的謎題。宇宙膨脹的這種加速度暗示，在蘊(yùn)藏于空間結(jié)構(gòu)中的某種未知能量的推動(dòng)下，宇宙正在分崩離析。這種所謂的“暗能量”占據(jù)了宇宙成分的絕大部分，含量超過(guò)70%。今天，我們?nèi)祟愓J(rèn)為我們身邊的世界已經(jīng)很廣大了；但實(shí)際上，我們所生活的空間，可見的物質(zhì)和原子，在宇宙中僅占4.5%。我們生活的地球，也只是銀河系中一顆小小的星星，在銀河系中，有上兆以上這樣的星星，而在這些之外是更加廣闊的空間，這些空間是由“暗能量”和“暗物質(zhì)”構(gòu)成的。

“暗能量”是什么？科學(xué)家們最好的一種猜想是：它們是宇宙本身的一部分?？茖W(xué)家經(jīng)過(guò)檢測(cè)得出結(jié)論，“暗物質(zhì)”不是一種東西?！鞍滴镔|(zhì)”有它本身的重力，就像原子一樣，由于各種原因，它們不和其他物質(zhì)相互影響，它們?cè)诖┰降厍驎r(shí)就像在旅行?？茖W(xué)家們懷疑它們是一種尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子。

“暗能量”和“暗物質(zhì)”沒(méi)有明顯的聯(lián)系。目前科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它們最明顯的聯(lián)系是：每一塊暗物質(zhì)中，有三塊暗能量，它們?cè)谟钪嬷袩o(wú)處不在，非常普遍。我們并不知道暗能量是如何形成的。它好像是宇宙自身結(jié)構(gòu)的一部分：暗能量產(chǎn)生更多的宇宙空間，更多的宇宙空間又產(chǎn)生了更多的暗能量，更多的暗能量又產(chǎn)生更多的宇宙空間。宇宙就是因?yàn)樗纳⑾А?/p>

不管暗能量是什么，它似乎都會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)期存在下去。它與物理學(xué)家和天文學(xué)家研究了很長(zhǎng)時(shí)間的宇宙學(xué)謎題符合得非常完美。按照現(xiàn)在公認(rèn)的觀點(diǎn)，宇宙大約有3/4由暗能量構(gòu)成。剩余的是物質(zhì)。但普通物質(zhì)，也就是構(gòu)成星系、恒星、人類和花花草草的東西，只占宇宙成分的5%。其他物質(zhì)被稱為暗物質(zhì)，至今仍在跟我們“躲貓貓”。

暗物質(zhì)是宇宙中另一個(gè)迄今未解的謎題。與暗能量一樣，暗物質(zhì)也是不可見的。對(duì)于這兩樣?xùn)|西，我們只知道它們發(fā)揮的作用——一個(gè)是推，另一個(gè)是拉。

人在宇宙中的地位

銀河系不是宇宙的中心，太陽(yáng)系不是銀河系的中心，地球不是太陽(yáng)系的中心，而人類只不過(guò)是宇宙中無(wú)足輕重的塵埃。這些都是科學(xué)真理，是生活在地球上的人類探索出來(lái)的。好奇是人類的天性，理解是一種樂(lè)趣，知識(shí)是生存的先決條件。只有那些敢于探索宇宙真面目的人，才能洞察宇宙的奧秘。人類的未來(lái)取決于我們對(duì)宇宙的了解程度，努力吧！

（作者為澳大利亞國(guó)立大學(xué)校長(zhǎng)，2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。本文根據(jù)布萊恩施密特在北京大學(xué)的講座整理，經(jīng)本人授權(quán)發(fā)表）