《天問》新篇：科學(xué)家正竭力破解的三個(gè)宇宙奧秘

□文/王瑞良

一位智者曾指出，未曾仰望星空的人不可能有深刻的思想，而探索宇宙的激情能為人們鑄就寬廣的胸懷和純潔的心靈。當(dāng)我們建立起清晰的宇宙觀念并徹悟自身的確切位置時(shí)，科學(xué)就會成為信仰的一部分。不斷開拓知識的疆界，走向宏大和遼闊，是我們每一代人不懈的追求和無上的榮光。正是在這一杰出思想的激勵下，一代又一代天文學(xué)家在探索宇宙奧秘的征程中不畏艱險(xiǎn)、勇于攀登，獲得了一個(gè)又一個(gè)的新發(fā)現(xiàn)、新成就。

宇宙何處是“盡頭”

人們通常習(xí)慣于用浩瀚無垠來形容宇宙之大。那么，宇宙究竟有多大？它的“盡頭”在何處？在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的不同階段，人們對此的認(rèn)識和回答是大不相同的。

在20世紀(jì)以前的許多個(gè)世紀(jì)里，人們認(rèn)為太陽系幾乎就是一切，不相信太陽系以外還可能存在其他星球。到1900年，人們又認(rèn)為太陽系所屬的銀河系就相當(dāng)于整個(gè)宇宙。至于宇宙的大小，當(dāng)時(shí)最大膽的估計(jì)是寬約2萬光年，其中像太陽一樣的恒星，有20億～30億顆。

1920年，根據(jù)當(dāng)時(shí)掌握的測量恒星距離的新方法，天文學(xué)家哈洛·沙普利等人算出了銀河的寬度是10萬光年，其中包含的恒星總數(shù)達(dá)2 000億～3 000億顆。同20年前相比，銀河“擴(kuò)大”了很多，而且這極度擴(kuò)大了的銀河，并不是宇宙的全部。

差不多與此同時(shí)，天文學(xué)家認(rèn)識到宇宙是由許多個(gè)像銀河系一樣的星系集成的，每個(gè)星系由幾十億到幾萬億顆星體組成。而且，宇宙不是靜態(tài)的，成群存在的星系彼此相互分離，它們之間的距離越來越大，好像宇宙在不斷“膨脹”。

1929年，美國天文學(xué)家愛德溫·哈勃等人設(shè)計(jì)出了確定星系距離的多種方法，證明即使是離我們比較近的星系（例如仙女座星系），離我們也有230萬光年。

20世紀(jì)60年代，人們發(fā)現(xiàn)某些曾被認(rèn)為是我們星系中暗淡的恒星，實(shí)際上離我們的星系非常遙遠(yuǎn)，它們被稱為“類星體”。這些類星體，最近的離我們也有10億光年，遠(yuǎn)的則有120億光年以上。

如果把目前人們對宇宙的認(rèn)識同1900年相比，那么，現(xiàn)在了解的宇宙要比當(dāng)年設(shè)想的大100萬倍。這個(gè)范圍已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)時(shí)“獨(dú)一無二”的銀河系，而包括數(shù)以千億計(jì)的類似銀河系的其他星系。

按照“宇宙大爆炸”的模型，可以計(jì)算出宇宙的年齡為160億年。這就是說，宇宙“盡頭”的距離理論上應(yīng)是160億光年。但是，據(jù)2019年5月NBC新聞報(bào)道，一項(xiàng)最新研究表明，“宇宙大爆炸”發(fā)生在125億～130億年前，據(jù)此可推算出宇宙的“盡頭”不會超過130億光年。

宇宙究竟有多大？它的“盡頭”究竟在何處？也許將永遠(yuǎn)是個(gè)謎。不過，人們總還是希望找到答案。隨著觀測設(shè)備的改進(jìn)和觀測技術(shù)的提高，人類對宇宙的認(rèn)識將不斷深化，也許有朝一日，能夠更準(zhǔn)確地推算出宇宙的年齡，從而找到真正的宇宙“盡頭”吧。

在科技發(fā)展的不同階段，人們對宇宙的認(rèn)識是大不相同的 供圖/銳景創(chuàng)意

天上星星知多少

每個(gè)人在孩提時(shí)代大概都有過這樣的夢幻經(jīng)歷：在繁星滿天的夜晚，仰望天空數(shù)星星，一顆、兩顆、三顆……總也數(shù)不清。這或許是人類探求未知的本能使然。這種本能延續(xù)下來，使得一些天文學(xué)家多年來一直在孜孜不倦地從事著“數(shù)星星”這種異常艱難的工作。

我們?nèi)庋劭梢姷男求w，其實(shí)大部分都是恒星。在浩瀚無垠的宇宙中，究竟有多少顆星星？迄今為止，沒有任何一位科學(xué)家能夠說清楚這個(gè)問題。但是，相對準(zhǔn)確的答案已經(jīng)有了。

答案之一：7×1022顆。這是澳大利亞國立大學(xué)天文學(xué)和天體物理學(xué)研究院的西蒙·德賴弗教授公布的一項(xiàng)計(jì)算結(jié)果。這個(gè)數(shù)字是什么樣的概念呢？打一個(gè)通俗的比方，把地球上所有海灘和沙漠里的沙粒加起來，也沒有這么多。德賴弗教授是怎樣計(jì)算出這一結(jié)果的呢？他們使用射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測，首先計(jì)算出離地球較近的一片空間里有多少個(gè)星系；然后通過測量星系的亮度，估計(jì)出每個(gè)星系里有多少顆星星；接下來，再根據(jù)這個(gè)數(shù)字來推斷在可見的宇宙空間里有多少顆星星。

答案之二：1 000億的1萬億倍顆。另一種對宇宙各星系恒星數(shù)量的估計(jì)是1 000億的1萬億倍顆，這曾經(jīng)是以美國著名天文學(xué)家卡爾·薩根為代表的不少天文學(xué)家的普遍看法。他們認(rèn)為，宇宙空間共有1 000億個(gè)星系，每個(gè)星系（包括銀河系）有1 000億到1萬億顆恒星。在估計(jì)恒星總數(shù)時(shí)，薩根的假設(shè)是所有星系中矮星（這是宇宙中最常見的恒星）的比例都與螺旋形的銀河系一樣。他說，“我們對宇宙的很多了解，大都基于我們在自身所處的銀河系內(nèi)部所做的、然后推廣到其他星系的觀測和結(jié)論”。

答案之三：3×1023顆。薩根教授的結(jié)論公布不久，即招來一些天文學(xué)家的質(zhì)疑。他們認(rèn)為，宇宙中大約有1/3的星系是橢圓形的，并非如薩根所說是螺旋形的，而且這些星系的構(gòu)成方式也與銀河系不同。他們觀測研究的結(jié)果是，宇宙中恒星的數(shù)量應(yīng)當(dāng)是3×1023顆。

以上都是一些難以想象的巨大數(shù)字，即使對習(xí)慣于與光年、萬億打交道的天文學(xué)家來說也是如此。國際天文學(xué)界在肯定這些研究成果的同時(shí)也指出，以上這些數(shù)字并不代表就是整個(gè)宇宙中星星的終極數(shù)量，而是在現(xiàn)代科技手段力所能及的范圍內(nèi)，計(jì)算出的相對準(zhǔn)確的結(jié)果。真正的數(shù)字可能會比這個(gè)大得多，甚至是無窮大。

宇宙的“盡頭”究竟在何處，也許將永遠(yuǎn)是個(gè)謎 供圖/銳景創(chuàng)意

宇宙終結(jié)啥模樣

達(dá)爾文的《進(jìn)化論》告訴我們：世上的任何事物，都會經(jīng)歷一個(gè)由發(fā)生到發(fā)展，再到終結(jié)的過程，宇宙也不例外。這不免令人產(chǎn)生一種莫名的恐懼。其實(shí)大可不必“杞人憂天”，因?yàn)檫@種情形即使發(fā)生，也是在極其遙遠(yuǎn)的未來（有一種理論認(rèn)為宇宙的壽命至少還有1 400億年），對今天的人類生活不會產(chǎn)生影響。而且據(jù)最新的觀測結(jié)果，宇宙的終結(jié)不會突然發(fā)生，不會突然出現(xiàn)另一次“大爆炸”形成熊熊燃燒的大火將一切燒毀，而是會隨著時(shí)間的推移，逐漸衰變成一種永恒的、冰冷的黑暗狀態(tài)。這情形就像是一位老人重重地坐在沙發(fā)上，蓋上毯子，等待安息。

探索宇宙的奧秘，是人類永恒的追求 供圖/銳景創(chuàng)意

至于宇宙終結(jié)的具體形態(tài)，或者說它將來究竟會呈現(xiàn)一種什么樣子，由于這件事情距離我們實(shí)在太過遙遠(yuǎn)，目前科學(xué)家尚難給出一個(gè)明晰的答案。但是，幾種最為大眾所接受的理論已有了。

“大撕裂”假說。這種假說認(rèn)為，由“大爆炸”而誕生的宇宙，就好比一個(gè)貼有不同圖片（星系）的氣球。由于一種神秘莫測的暗能量的作用，這些圖片（星系）會以過山車的速度快速持續(xù)膨脹，從而促使星系相互分離，最終把原子核從原子中撕扯出來，并撕裂宇宙中存在的一切，使宇宙分崩離析。

“大凍結(jié)”假說。這種假說認(rèn)為，當(dāng)宇宙“步入老年”時(shí)，恒星形成所需的氣體逐漸被消耗殆盡，從而停止發(fā)光。同時(shí)，宇宙溫度也漸漸趨近絕對零度，任何宏觀物理過程和生命都將不復(fù)存在，整個(gè)宇宙將逐漸陷入一片黑暗混沌的“大凍結(jié)”（也稱“熱寂”）狀態(tài)。由于人們對暗能量的本質(zhì)屬性知之不多，因此宇宙未來的命運(yùn)可能是“大撕裂”，也可能是“大凍結(jié)”，或者是先發(fā)生“大凍結(jié)”，再進(jìn)入“大撕裂”。

“大擠壓”假說。這種假說或許最能激發(fā)公眾的想象力：在宇宙各種“力”和“能”的長期博弈中，萬有引力最終獲勝，從而使宇宙回到“大爆炸”之前的狀態(tài)，正如一根彈簧在拉伸后會收縮一樣。這個(gè)過程也被稱為“大擠壓”，它與宇宙“原路返回”不同。換句話說，不像電影倒帶那樣。也有科學(xué)家認(rèn)為，在這種“大擠壓”之后，“大爆炸”會反復(fù)出現(xiàn)，這種循環(huán)往復(fù)的情形也被稱為“大反彈”。

除此以外，關(guān)于宇宙終結(jié)的假說，還有“大坍縮”“大吞噬”和“偽真空”等。