宇宙加速膨脹的終極命運(yùn)是什么？

何飛

劉慈欣為《太空將來(lái)時(shí)》寫(xiě)過(guò)一個(gè)序，我很喜歡它的題目，叫《走了三十億年，我們干嗎來(lái)了》。

30億年是地球上生命起源和進(jìn)化的歷史，從遠(yuǎn)古地球的渾濁海洋中誕生第一個(gè)可以自我復(fù)制的有機(jī)分子，然后經(jīng)過(guò)30多億年漫長(zhǎng)而曲折的進(jìn)化，到人類(lèi)從20萬(wàn)年前走出非洲大陸，地球上終于出現(xiàn)了智慧文明的第一絲曙光。

大劉向人類(lèi)提出了振聾發(fā)聵的問(wèn)話：回首背后這條長(zhǎng)得無(wú)法想象的路，現(xiàn)在已經(jīng)是時(shí)候問(wèn)自己一句：

走了30多億年，我們到底干嗎來(lái)了？

把30億年放到宇宙的歷史長(zhǎng)河中，也僅僅是一瞬間而已。

我們生存的這個(gè)宇宙已經(jīng)存在了約137億年，大爆炸的火球創(chuàng)造了我們生存的這片時(shí)空。它也許是多重宇宙中的一個(gè)孤島，也許是亙古無(wú)垠的黑暗與空無(wú)中的唯一綠洲。

宇宙洪爐的余燼淬煉出了生命和智慧，而人類(lèi)的智慧透過(guò)那無(wú)盡的黑暗塵埃，現(xiàn)在已經(jīng)能洞察宇宙演化的秘密：這是人類(lèi)智慧的勝利，同時(shí)也是因?yàn)椋?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2018/09/26/qkimagesfdtsfdts201805fdts20180507-1-l.jpg"/>

我們生活在宇宙紀(jì)年中一個(gè)最好的時(shí)代。

因?yàn)椋@個(gè)時(shí)間剛剛好：沿著時(shí)間溯源而上，我們可以看到大爆炸的余輝，即宇宙的微波背景輻射；看向未來(lái)，我們能推測(cè)現(xiàn)在的宇宙加速膨脹的命運(yùn)是什么。

現(xiàn)代宇宙學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，即宇宙的大爆炸理論，告訴我們，在大約137億年前，一個(gè)原始火球橫空出現(xiàn)于絕對(duì)的虛無(wú)之中。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論徹底改變了我們的時(shí)空觀念，時(shí)空是一種存在，而且是和物質(zhì)相伴生的存在。換言之，物質(zhì)不是存在于時(shí)空中，而是物質(zhì)和時(shí)空互相影響互相依存。

所以，在大爆炸之前，不存在時(shí)空，大爆炸不是出現(xiàn)于“時(shí)空”中，而是出現(xiàn)在絕對(duì)的虛無(wú)中，并創(chuàng)造了時(shí)空。這有點(diǎn)類(lèi)似于道家的“有生于無(wú)”的哲學(xué)觀點(diǎn)。

有意思的是，弗里德曼根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論方程推導(dǎo)出了宇宙大爆炸的解，并指出我們整個(gè)宇宙一定還處在隨后的膨脹中。愛(ài)因斯坦拒絕相信一個(gè)非靜態(tài)的宇宙，并在他的方程中引入“宇宙學(xué)常數(shù)”來(lái)抵抗引力的作用，使宇宙能處于靜態(tài)。

但是5年后，哈勃對(duì)幾十個(gè)河外星系的觀察，證實(shí)了我們的宇宙正在膨脹中（著名的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡就是為了紀(jì)念這位哈勃而命名的）。多年后，愛(ài)因斯坦承認(rèn)宇宙學(xué)常數(shù)是他一生中最大的失誤。但是，正如科學(xué)發(fā)現(xiàn)道路上的其他曲折一樣，進(jìn)一步的觀測(cè)表明，也許愛(ài)因斯坦并沒(méi)有錯(cuò)得那么離譜。這是后話。

這個(gè)原始大火球的溫度，在爆炸后大約是我們太陽(yáng)核心溫度的10萬(wàn)億倍。你無(wú)法想象這個(gè)溫度，總之，溫度高得連任何基本粒子都無(wú)法存在，整個(gè)宇宙以純能量，即光輻射的形式存在著。

正是這個(gè)宇宙誕生之初的光輻射，使得今天我們能夠直接驗(yàn)證大爆炸理論。當(dāng)初的輻射經(jīng)過(guò)137億年的冷卻（更準(zhǔn)確的說(shuō)法，是在宇宙膨脹中發(fā)生紅移，使光的波長(zhǎng)增長(zhǎng)，能量降低，即俗稱(chēng)的冷卻），已經(jīng)處在微波輻射的范圍。

1965年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位工程師彭齊亞斯和威爾遜在調(diào)試微波天線的時(shí)候無(wú)意中發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了宇宙的微波背景輻射，并和理論預(yù)測(cè)完全吻合，他們也因此獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1965年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位工程師彭齊亞斯和威爾遜在調(diào)試微波天線的時(shí)候無(wú)意中發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了宇宙的微波背景輻射，并和理論預(yù)測(cè)完全吻合，他們也因此獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

這樣的數(shù)字很難為我們常人理解。我們可以這樣來(lái)看這個(gè)速度有多驚人：宇宙經(jīng)過(guò)137億年膨脹到今天的大小，絕大部分是在那個(gè)電光石火的一瞬間暴漲出來(lái)的?？梢?jiàn)暴漲的速度有多驚人。

這里有一個(gè)小小的問(wèn)題。對(duì)物理知識(shí)有所了解的同學(xué)會(huì)有疑問(wèn)，任何物質(zhì)的速度都不可能超過(guò)光速，這樣的暴漲速度顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了光速，這和狹義相對(duì)論矛盾?。科鋵?shí)，暴漲源于空間本身，而空間的膨脹并不受光速的限制。由于空間本身的膨脹，所有在空間中的物質(zhì)和能量也跟著一起膨脹，但并不是它們的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)了光速，而是被空間“拽”著膨脹，好似在一個(gè)正在吹大的氣球表面的卡通圖案。

對(duì)于這個(gè)重大的科學(xué)論題，美國(guó)、歐盟和很多國(guó)家投入了很多資源來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

前有1990年美國(guó)發(fā)射的宇宙背景探索者（COBE），后有威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP），還有歐盟的普朗克太空飛船，以及安裝在南極的第一到第三代BICEP射電望遠(yuǎn)鏡。盡管對(duì)一些證據(jù)還存在爭(zhēng)論，比如BICEP2探測(cè)到的微波背景輻射極性化的來(lái)源，但是已經(jīng)有越來(lái)越多的證據(jù)支持宇宙演化的模型，包括來(lái)自“普朗克”的最新成果。

在科學(xué)界主流確立了宇宙膨脹的理論和實(shí)際觀測(cè)（哈勃的觀測(cè)）后，一個(gè)很自然的問(wèn)題涌現(xiàn)出來(lái)：

宇宙未來(lái)的命運(yùn)會(huì)是什么樣的？

哈勃發(fā)現(xiàn)我們的宇宙正在膨脹，但是由于引力是宇宙中唯一已知的長(zhǎng)距作用力（其他三種力：強(qiáng)力、弱力、電磁力，都是短距作用的），而且永遠(yuǎn)是吸引的，所以引力會(huì)逐漸地減慢宇宙膨脹的速度。

一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是，宇宙中的物質(zhì)總量是否足夠多?；蛘哒f(shuō)，我們宇宙的引力是否足夠強(qiáng)大，能在遙遠(yuǎn)的未來(lái)使宇宙膨脹完全剎車(chē)，并逆轉(zhuǎn)進(jìn)程開(kāi)始加速收縮？還是引力雖然能減慢宇宙膨脹的速度，但是不足以使它停止，于是宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去？（數(shù)學(xué)上其實(shí)細(xì)分為三種情況，包括臨界膨脹，這里不予討論。）

這是一個(gè)關(guān)乎我們宇宙終極命運(yùn)的大問(wèn)題。

20世紀(jì)90年代，兩個(gè)擁有奇怪名字的科研小組，高-Z團(tuán)隊(duì)（即高紅移量，紅移量在天文學(xué)中可以作為天體距離遠(yuǎn)近的度量）和SCP團(tuán)隊(duì)（Supernova Cosmology Project，即超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目小組），幾乎同時(shí)開(kāi)始了對(duì)有關(guān)宇宙的這個(gè)生死攸關(guān)問(wèn)題的探索。

他們的方法幾乎是一樣的，即尋找宇宙中如朝露般轉(zhuǎn)瞬即逝的超新星爆發(fā)（Ia類(lèi)超新星。它們的光度會(huì)隨時(shí)間有規(guī)律地變化，由此我們可以推算出該天體與我們的距離），并以它們?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)光源，計(jì)算不同星系的距離和紅移速率（即膨脹的速率）。通過(guò)計(jì)算宇宙在不同時(shí)期的膨脹速率，推導(dǎo)出我們宇宙減速的快慢，從而得出宇宙最后將會(huì)是剎車(chē)收縮，還是繼續(xù)膨脹下去。

1998年1月，兩個(gè)賽跑的團(tuán)隊(duì)同時(shí)在美國(guó)天文學(xué)會(huì)的年會(huì)上公布了他們的研究結(jié)果：我們的宇宙正在加速膨脹！這和之前所有的預(yù)期都是背道而馳的，震驚了整個(gè)科學(xué)界。

是什么神秘的力量能和整個(gè)宇宙的引力對(duì)抗，使得我們的宇宙還在加速膨脹？對(duì)此，我們一無(wú)所知。

人類(lèi)每一次對(duì)宇宙的了解更加深入一層，以為將要觸摸到終極秘密的時(shí)候，無(wú)垠的宇宙就會(huì)和我們開(kāi)一次小小的玩笑，用又一層神秘的黑紗阻斷我們的視線。

對(duì)于這個(gè)神秘的和引力對(duì)抗的力量，我們稱(chēng)之為“暗能量”。因?yàn)榈侥壳盀橹?，我們完全不知道它的起源和本質(zhì)（暗能量和暗物質(zhì)是完全不同的概念）。有意思的是，這個(gè)暗能量和之前愛(ài)因斯坦引入的“宇宙學(xué)常數(shù)”有著異曲同工之妙，恰恰起到了抵抗引力的作用——也許愛(ài)因斯坦天才的洞察力和直覺(jué)再一次證明了自己？

宇宙加速膨脹的圖像為未來(lái)的智慧生命勾勒出了一幅孤獨(dú)的影像：

假如再過(guò)400億年，宇宙繼續(xù)加速膨脹，所有的星系都將狼奔豕突遠(yuǎn)離我們，宇宙盛世的遺跡早已四散星落，只剩下這一孤零零的星系。

那時(shí)，我們的夜空將暗淡無(wú)光，因?yàn)樗械男浅綍?huì)和我們漸行漸遠(yuǎn)，亮星隱去光輝，暗星則無(wú)影無(wú)蹤……

在那樣的時(shí)空中，假如有一個(gè)智慧生命，仰望星空，凝視這深邃無(wú)邊的黑暗淵藪，那該是多么絕望的情景??！

既看不到宇宙過(guò)去的演變，也看不到未來(lái)的變化，甚至因?yàn)槿狈⒄障?，都感覺(jué)不到正處在一個(gè)膨脹的宇宙中。這樣的智慧生命將完全無(wú)法解釋宇宙是怎么來(lái)的，更無(wú)法如我們今天這樣推測(cè)宇宙的規(guī)律和歷史——他們生活在宇宙無(wú)邊黑暗中漂浮著的一個(gè)孤島上。

“前不見(jiàn)古人，后不見(jiàn)來(lái)者，念天地之悠悠，獨(dú)愴然而淚下”，描述的大概就是這種感受吧。這樣的智慧生命，生存在這樣孤獨(dú)的宇宙中，將會(huì)產(chǎn)生什么樣的文化甚至宗教呢？

我們是幸運(yùn)的。

我們生活在宇宙歷史的這一時(shí)刻，能夠用我們的智慧去探尋宇宙演化的秘密。在我們?yōu)樯盥德当济Φ臅r(shí)候，不要忘了，偶爾，我們也可以抬頭仰望星空，自由釋放我們的心靈。

最后，以一首小詩(shī)來(lái)抒懷：

九月星河天火流，

人生亙古似蜉蝤。

今宵誰(shuí)又騎黃鶴，

長(zhǎng)夜獨(dú)懷千歲憂。