【宇宙學的末日】

江南布衣

【宇宙學的末日】

 

100年前《科學美國人》上刊登的一篇有關宇宙歷史和大尺度結構(large-scale structure)的文章，幾乎完全錯了。

　　

1908年，科學家們相信，我們身處的這個星系就是整個宇宙。

 

他們認為宇宙就是被無盡的虛空包圍著的一群孤獨的恆星，因此宇宙又被稱為“宇宙島”(island universe)。

 

現在我們知道，銀河系不過是目前能夠觀測到的4,000多億個星系之中的普通一員。

　　

1908年，科學界一致認為宇宙是靜態而永恆的。宇宙起源于一場熾熱的大爆炸，這樣的觀點哪怕是最瘋狂的幻想家也根本未曾想過。

 

元素在大爆炸最初時刻產生，後來在恆星內部合成的理念，在1908年還不為人知；

 

空間會膨脹和彎曲、物質決定空間曲率的說法更是天方夜譚。

 

整個宇宙空間都沉浸在創世大爆炸的寒冷余輝留下的微波輻射之中這一事實，要等到現代技術發展起來以後，才會被人發現。

 

有趣的是，發明這種技術的目的，並不是為了探索宇宙，而是為了讓人們能夠打電話回家。

　　

很難想象，在過去的一個世紀里，還會有哪個知識領域像宇宙學這樣，經歷如此天翻地覆的變化，這種變化還改變了我們對世界的看法。

 

不過，未來的科學一定比過去更能反映實際情況嗎？

 

我們最近所作的一項研究暗示，在宇宙學時標(cosmic timescale，足以明顯看出宇宙演化的時間尺度，動輒以億年為單位)上，這個問題的答案是否定的。

 

我們極有可能生活在宇宙歷史上唯一一個，能夠讓科學家準確了解宇宙真實情況的時代。

　　

我們這項研究的起因，源于10年前天文學上一個引人注目的大發現。

 

當時，兩個各自獨立的天文學家團隊追溯了過去50億年宇宙的膨脹過程，發現宇宙似乎正在加速膨脹。

 

科學家們認為，這種讓宇宙對抗引力作用而加速膨脹的力量，源于一種與真空聯系在一起的“暗能量”(dark energy)。

 

事實上，在此之前，包括本文作者克勞斯在內的一些理論學家，就已經通過間接測量預料到了這一結果。

 

不過從物理學角度來說，這項發現應該算是第一個直接觀測證據。

 

宇宙的加速膨脹意味著真空中包含著大量能量︰

 

就算把當前能夠觀測到的宇宙結構，包括星系、星系團和超星系團等全加在一起，所含能量也僅僅相當于真空能量的1/3。

 

具有諷刺意味的是，這種形式的能量最早是愛因斯坦提出的，目的卻是為了維持一個靜態的宇宙。

 

他把這種能量稱為“宇宙學常數 ”(cosmological constant)。

　　

暗能量將對宇宙的未來產生巨大的影響。

 

克勞斯曾經和美國華盛頓天主教大學(Case Western Reserve University)的宇宙學家格倫‧斯塔克曼(Glenn Starkman)一起，合作探討了這樣一個問題︰在一個包含宇宙學常數的宇宙中，生命的最終命運將會如何。

 

結論是︰不太樂觀。

 

這樣一個宇宙將演變成一個非常不適宜生存的地方。

 

宇宙學常數會產生一個固定的“事件視界”(event horizon)，在這種假想邊界以外，任何輻射或物質都不可能被我們看到。

 

宇宙看起來就像一個內外顛倒的黑洞，物質和輻射不斷被吸出視界，然後永不回頭。

 

這一發現意味著，可觀測宇宙包含的信息是有限的，因此生命和信息處理過程都不可能永久持續下去。

　　

不過，用不著擔心有限的信息可能會帶來麻煩，在信息極限成為問題之前很久，所有隨著宇宙一起膨脹的物質就會被推到事件視界以外。

 

美國哈佛大學的亞伯拉罕‧洛布(Abraham Loeb)和長峰健太郎(Kentaro Nagamine)研究了這一過程。

 

他們發現，我們所說的“本星系群”(Local Group of galaxies，由銀河系、仙女座星系和許多圍繞它們旋轉的矮星系構成)將坍縮成一個巨大的超星系。

 

所有其他的星系都將消失在事件視界以外。

 

這個過程將歷時1,000億年，看起來也許很長，但與永恆的荒蕪相比，也只不過是轉瞬之間而已。

 

大爆炸的觀測證據

　　

對于生活在遙遠的未來、居住在這個超星系裡的天文學家來說，他們又將如何去演繹宇宙的歷史？

 

想要探討這個問題，我們必須先回顧一下，支撐我們目前的宇宙觀——大爆炸理論的幾大支柱。

　　

第一個支柱是愛因斯坦的廣義相對論。

 

在它出現之前的近300年裡，牛頓理論一直是天文學幾乎所有分支的基礎。

 

從地球到星系，不論在什麼尺度下，牛頓理論都能準確預言物體的運動狀態。

 

但是，對于無窮大的物質集合，牛頓理論就完全不適用了。

 

廣義相對論突破了這個局限。

 

1916年，愛因斯坦公布了廣義相對論，並且提出了一個包含宇宙學常數的簡單方程，用來描述宇宙。

 

此後不久，荷蘭物理學家威廉‧德西特(Willem de Sitter)就求出了方程的一個解。

 

德西特的結果似乎與當時人們公認的宇宙圖景完全一致︰

 

宇宙是被廣袤且永恆不變的虛空包圍著的一座宇宙島。

　　

宇宙學家們很快意識到，這種永恆不變的靜止狀態是一種誤解。

 

事實上，德西特的宇宙會永遠膨脹下去。

 

比利時物理學家喬治‧勒邁特(Georges Lema tre)後來證明，愛因斯坦的宇宙學方程預言，宇宙要麼膨脹，要麼收縮，無限、均勻、永恆不變的宇宙不可能存在。

 

後來被人稱為“大爆炸”的理論，就是在這個觀點的基礎上產生的。

　　

第二個支柱出現在20世紀20年代，天文學家們觀測到了宇宙的膨脹。

 

第一個為宇宙膨脹提供觀測證據的人，是美國天文學家維斯托‧斯萊弗 (Vesto Slipher)，當時他用恆星光譜測量了鄰近星系的速度。

 

正在移向地球的恆星發出的光波會被壓縮，波長變短，導致星光顏色向藍色端偏移(藍移)；

 

正在遠離我們的天體發出的光波則被拉伸，波長變長，顏色向紅色端偏移(紅移)。

 

通過測量遙遠星系發出的光波是被壓縮還是拉伸，斯萊弗就能確定它們是在移向我們還是遠離我們，還能測量它們的運動速度。

 

(當時的天文學家們甚至不能確定，這些今天被稱為“星系”的暗弱光斑，究竟是獨立的恆星集團，還是銀河系中的氣體星雲。)

 

斯萊弗發現，幾乎所有的星系都正在遠離我們而去。

 

我們似乎處在一個膨脹宇宙的中心。

　　

不過，我們通常並不把宇宙膨脹的發現歸功于斯萊弗，而是將功勞算在了美國天文學家埃德溫‧哈勃(Edwin Hubble)的頭上。

 

(不然就不會有哈勃空間望遠鏡，而應該是斯萊弗空間望遠鏡了。)

 

哈勃不僅測定了鄰近星系的速度，還測定了它們的距離。這些測量讓他得出了兩個重要的結論，足以說明宇宙膨脹發現者的桂冠非他莫屬。

 

第一，哈勃證明這些星系確實非常遙遠，從而證明它們和我們所處的銀河系一樣，是獨立的恆星集團。

 

第二，他發現星系的距離與速度之間存在簡單的對應關系︰

 

星系的速度正比于它與我們之間的距離。

 

也就是說，一個星系到我們的距離是另一個的兩倍，那麼它遠離我們而去的速度也會是另一個星系的兩倍。

 

距離與速度之間的這一關系，恰好是宇宙正在膨脹的標志。

 

哈勃的測量結果後來不斷得到修正，最近一次修正使用了遙遠超新星的觀測數據——正是這次修正導致了暗能量的發現。

　　

第三個支柱是宇宙微波背景中的黯淡光輝。

 

這是美國貝爾實驗室的物理學家阿諾‧彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特‧威爾遜(Robert Wilson)，在1965年追查射電干擾源時意外發現的。

 

科學家們很快就意識到，這種輻射正是宇宙膨脹早期階段殘留下來的一種遺跡。

 

它意味著宇宙最初是灼熱而致密的，後來才逐漸冷卻，變得越來越稀薄。

　　

熾熱的早期宇宙還是核聚變的理想場所，這是大爆炸理論的最後一個觀測支柱。

 

當宇宙溫度高達10億到100億K時，較輕的原子核能夠聚變為較重的原子核，這個過程被稱為“大爆炸核合成”(big bang nucleosynthesis)。

 

隨著宇宙的膨脹，溫度會迅速下降，因此核合成只能持續短短幾分鐘，聚變也只能發生在最輕的幾種元素之間。

 

宇宙中的大部分氦和氘都是在那個時候形成的。

 

天文學家對宇宙中氦和氘豐度的測量結果，與大爆炸核合成的理論預言吻合。

 

核合成還準確預言了宇宙中質子和中子的豐度，為大爆炸理論提供了進一步的證據。

　　

 

黑暗的天空

　　

距今1,000億年後，未來的科學家們在仰望天空時，會看到些什麼？

 

如果不借助望遠鏡，他們看到的景象大概跟今天的星空沒什麼兩樣︰

 

天空中散布著屬于他們所在星系的恆星。

 

到那時，最大最亮的恆星應該早就耗盡了核燃料，為數眾多的較小恆星依然會點亮夜空。

 

不過，當未來的科學家們建造出望遠鏡，有能力觀測他們所在星系以外的其他星系時，情況就大不相同了。

 

他們將看不到任何東西！到那時，鄰近的星系已經和銀河系並合成一個超星系，所有其他的星系全都將消失不見，逃出事件視界之外。

　　

遙遠的星系不會瞬間消失，而是會逐漸淡出我們的視線。

 

這些星系靠近視界時，紅移將趨近于無窮大。

 

克勞斯和斯塔克曼的計算表明︰

 

1,000億年後，所有星系的紅移都將超過5,000；

 

10萬億年後，這些星系的紅移都將高達1053。

 

到那時，即使是能量最高的宇宙線，波長也會因為紅移太大而超過視界的尺度。

 

這樣，我們就真的完全看不到這些天體了。

　　

因此，哈勃關于宇宙膨脹的重要發現將無法重現。

 

所有隨著宇宙一起膨脹的物質都將消失在視界之外，只有被引力束縛在一起的超星系才會被保留下來。

 

對于未來的天文學家們來說，1908年的“宇宙島”

 

恰恰是可觀測宇宙的真實寫照︰一個巨大的恆星集團，永恆而寧靜地被包裹在一片虛空之中。

　　

我們自己的研究經驗顯示，就算獲得了數據，正確的宇宙模型也並非那麼一目了然。

 

從20世紀40年代到60年代中期，以哈勃發現的膨脹宇宙為基礎，天文學家建起了一座觀測宇宙學大廈。

 

不過，一些天文學家仍然不放棄宇宙永恆的觀念，提出了穩恆態宇宙模型(steady-state universe)。

 

這種理論假設，隨著宇宙的膨脹，物質會不斷產生，因此就整體而言，宇宙並不會隨時間而變化。

 

今天的觀測已經證明，穩恆態宇宙是行不通的。

 

不過這種想法也表明，在缺乏足夠的觀測數據時，類似的錯誤觀念是有可能出現的。

　　

未來的天文學家能不能找到大爆炸的其他依據？

 

他們能不能用宇宙微波背景來探索宇宙的動態演化？

 

很可惜，答案仍然是否定的。

 

隨著宇宙的膨脹，背景輻射的波長也會變長，輻射也會更加彌散。

 

當宇宙的年齡達到1,000億年時，微波背景的峰值波長也將長達幾米——已經不再是微波，而是射電波了。

 

輻射強度也會降低到目前強度的一萬億分之一，也許再也觀測不到了。

　　

隨著時間的繼續流逝，宇宙背景將變得不可觀測。

 

在我們所處的星系中，恆星之間充斥著一種電子電離氣體。

 

低頻射電波無法穿透這些氣體，它們會被吸收或者反射回去。

 

類似的效應可以解釋，為什麼我們能在夜晚收听到遙遠城市的調幅廣播，因為無線電波會被電離層反射再折回地面。

 

星際介質可以看作為充斥于星系之中的一個巨型電離層。

 

任何頻率低于1,000赫茲(即波長長于300千米)的射電波，都無法在我們所處的星系中傳播。

 

頻率低于1,000赫茲的射電天文學，永遠不可能在星系內部建立起來。

 

當宇宙的年齡達到目前年齡的25倍時，微波背景的波長就會被拉伸到這個極限之上，星系內的居民也就不可能再探測到這種輻射。

 

甚至在這一天到來之前很久，微波背景中那些給今天的宇宙學家們提供了許多有用信息的精細圖案，就會因為信號變得太弱而無法研究了。