本文原載于《環(huán)球科學(xué)》
漫長的時光和不斷膨脹的空間會抹去有關(guān)宇宙演化的一切線索，讓千億年后的宇宙學(xué)家無從下手。
撰文 勞倫斯·M·克勞斯（Lawrence M. Krauss）
羅伯特·J·謝勒（Robert J. Scherrer）
翻譯 楊宇飛 馮瓏瓏
100年前《科學(xué)美國人》上刊登的一篇有關(guān)宇宙歷史和大尺度結(jié)構(gòu)（large-scale structure）的文章，幾乎完全錯了。
1908年，科學(xué)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恒星，因此宇宙又被稱為“宇宙島”（island universe）?，F(xiàn)在我們知道，銀河系不過是目前能夠觀測到的4000多億個星系之中的普通一員。
1908年，科學(xué)界一致認為宇宙是靜態(tài)而永恒的。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(chǎn)生，后來在恒星內(nèi)部合成的理念，在1908年還不為人知；空間會膨脹和彎曲、物質(zhì)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(chuàng)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(xiàn)代技術(shù)發(fā)展起來以后，才會被人發(fā)現(xiàn)。有趣的是，發(fā)明這種技術(shù)的目的，并不是為了探索宇宙，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(lǐng)域像宇宙學(xué)這樣，經(jīng)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)上一個引人注目的大發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時，兩個各自獨立的天文學(xué)家團隊追溯了過去50億年宇宙的膨脹過程，發(fā)現(xiàn)宇宙似乎正在加速膨脹?？茖W(xué)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(lián)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(nèi)的一些理論學(xué)家，就已經(jīng)通過間接測量預(yù)料到了這一結(jié)果。不過從物理學(xué)角度來說，這項發(fā)現(xiàn)應(yīng)該算是第一個直接觀測證據(jù)。宇宙的加速膨脹意味著真空中包含著大量能量：就算把當(dāng)前能夠觀測到的宇宙結(jié)構(gòu)，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(dāng)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(tài)的宇宙。他把這種能量稱為“宇宙學(xué)常數(shù)”（cosmological constant）。
暗能量將對宇宙的未來產(chǎn)生巨大的影響?？藙谒乖?jīng)和美國華盛頓天主教大學(xué)（Case Western Reserve University）的宇宙學(xué)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(xué)常數(shù)的宇宙中，生命的最終命運將會如何。結(jié)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(xué)常數(shù)會產(chǎn)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(zhì)都不可能被我們看到。宇宙看起來就像一個內(nèi)外顛倒的黑洞，物質(zhì)和輻射不斷被吸出視界，然后永不回頭。這一發(fā)現(xiàn)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(xù)下去。
不過，用不著擔(dān)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(zhì)就會被推到事件視界以外。美國哈佛大學(xué)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(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)的矮星系構(gòu)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1000億年，看起來也許很長，但與永恒的荒蕪相比，也只不過是轉(zhuǎn)瞬之間而已。
大爆炸的觀測證據(jù)
對于生活在遙遠的未來、居住在這個超星系里的天文學(xué)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(xiàn)之前的近300年里，牛頓理論一直是天文學(xué)幾乎所有分支的基礎(chǔ)。從地球到星系，不論在什么尺度下，牛頓理論都能準確預(yù)言物體的運動狀態(tài)。但是，對于無窮大的物質(zhì)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，并且提出了一個包含宇宙學(xué)常數(shù)的簡單方程，用來描述宇宙。此后不久，荷蘭物理學(xué)家威廉·德西特（Willem de Sitter）就求出了方程的一個解。德西特的結(jié)果似乎與當(dāng)時人們公認的宇宙圖景完全一致：宇宙是被廣袤且永恒不變的虛空包圍著的一座宇宙島。
宇宙學(xué)家們很快意識到，這種永恒不變的靜止狀態(tài)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(xué)家喬治·勒邁特（Georges Lema tre）后來證明，愛因斯坦的宇宙學(xué)方程預(yù)言，宇宙要么膨脹，要么收縮，無限、均勻、永恒不變的宇宙不可能存在。后來被人稱為“大爆炸”的理論，就是在這個觀點的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。
第二個支柱出現(xiàn)在20世紀20年代，天文學(xué)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(jù)的人，是美國天文學(xué)家維斯托·斯萊弗（Vesto Slipher），當(dāng)時他用恒星光譜測量了鄰近星系的速度。正在移向地球的恒星發(fā)出的光波會被壓縮，波長變短，導(dǎo)致星光顏色向藍色端偏移（藍移）；正在遠離我們的天體發(fā)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(fā)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(dāng)時的天文學(xué)家們甚至不能確定，這些今天被稱為“星系”的暗弱光斑，究竟是獨立的恒星集團，還是銀河系中的氣體星云。）斯萊弗發(fā)現(xiàn)，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，我們通常并不把宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)歸功于斯萊弗，而是將功勞算在了美國天文學(xué)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(yīng)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(jié)論，足以說明宇宙膨脹發(fā)現(xiàn)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，是獨立的恒星集團。第二，他發(fā)現(xiàn)星系的距離與速度之間存在簡單的對應(yīng)關(guān)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，那么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(guān)系，恰好是宇宙正在膨脹的標志。哈勃的測量結(jié)果后來不斷得到修正，最近一次修正使用了遙遠超新星的觀測數(shù)據(jù)——正是這次修正導(dǎo)致了暗能量的發(fā)現(xiàn)。
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(xué)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(fā)現(xiàn)的?？茖W(xué)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，后來才逐漸冷卻，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后一個觀測支柱。當(dāng)宇宙溫度高達10億到100億K時，較輕的原子核能夠聚變?yōu)檩^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(xù)短短幾分鐘，聚變也只能發(fā)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(xué)家對宇宙中氦和氘豐度的測量結(jié)果，與大爆炸核合成的理論預(yù)言吻合。核合成還準確預(yù)言了宇宙中質(zhì)子和中子的豐度，為大爆炸理論提供了進一步的證據(jù)。
黑暗的天空
距今1000億年后，未來的科學(xué)家們在仰望天空時，會看到些什么？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么兩樣：天空中散布著屬于他們所在星系的恒星。到那時，最大最亮的恒星應(yīng)該早就耗盡了核燃料，為數(shù)眾多的較小恒星依然會點亮夜空。不過，當(dāng)未來的科學(xué)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(jīng)和銀河系并合成一個超星系，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?？藙谒购退顾寺挠嬎惚砻鳎?000億年后，所有星系的紅移都將超過5000；10萬億年后，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(guān)于宇宙膨脹的重要發(fā)現(xiàn)將無法重現(xiàn)。所有隨著宇宙一起膨脹的物質(zhì)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(xué)家們來說，1908年的“宇宙島”恰恰是可觀測宇宙的真實寫照：一個巨大的恒星集團，永恒而寧靜地被包裹在一片虛空之中。
我們自己的研究經(jīng)驗顯示，就算獲得了數(shù)據(jù)，正確的宇宙模型也并非那么一目了然。從20世紀40年代到60年代中期，以哈勃發(fā)現(xiàn)的膨脹宇宙為基礎(chǔ)，天文學(xué)家建起了一座觀測宇宙學(xué)大廈。不過，一些天文學(xué)家仍然不放棄宇宙永恒的觀念，提出了穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型（steady-state universe）。這種理論假設(shè)，隨著宇宙的膨脹，物質(zhì)會不斷產(chǎn)生，因此就整體而言，宇宙并不會隨時間而變化。今天的觀測已經(jīng)證明，穩(wěn)恒態(tài)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(shù)據(jù)時，類似的錯誤觀念是有可能出現(xiàn)的。
未來的天文學(xué)家能不能找到大爆炸的其他依據(jù)？他們能不能用宇宙微波背景來探索宇宙的動態(tài)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(dāng)宇宙的年齡達到1000億年時，微波背景的峰值波長也將長達幾米——已經(jīng)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(xù)流逝，宇宙背景將變得不可觀測。在我們所處的星系中，恒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(yīng)可以解釋，為什么我們能在夜晚收聽到遙遠城市的調(diào)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(zhì)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1000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(xué)，永遠不可能在星系內(nèi)部建立起來。當(dāng)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(nèi)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(xué)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。
耗盡燃料
對元素豐度的觀測，能不能給未來的天文學(xué)家們提供關(guān)于大爆炸的信息呢？答案極有可能還是否定的。我們今天仍能研究大爆炸核合成的關(guān)鍵原因在于，140億年前產(chǎn)生的氦和氘的豐度，直到今天都沒有發(fā)生太大的變化。以氦為例，宇宙早期形成的氦約占物質(zhì)總量的25%。盡管恒星內(nèi)部的核聚變反應(yīng)也會產(chǎn)生氦，但對總豐度的影響很小，最多不過增加幾個百分點而已。美國密歇根大學(xué)安阿伯分校的天文學(xué)家弗雷德·亞當(dāng)斯（Fred Adams）和格雷戈里·勞克林（Gregory Laughlin）指出，在經(jīng)過許多代恒星的生死輪回之后，氦在宇宙中的比例可能增加到60%。在遙遠的未來，觀測者會發(fā)現(xiàn)，宇宙早期合成的氦會被恒星內(nèi)部后來產(chǎn)生的氦所淹沒，根本無法區(qū)分了。
目前，氘的豐度受恒星活動影響最小，是探測大爆炸核合成的最佳觀測指標。我們對原初氘豐度的最佳測量結(jié)果，來源于對類星體（quasar）前景氫云的觀測。類星體是一種極其遙遠而又異常明亮的宇宙燈塔，天文學(xué)家認為它們的能量來源于星系中心的超大質(zhì)量黑洞。不過在很久以后的宇宙中，不論是類星體還是氫云，都會消失在事件視界之外，永遠不可能被觀測到。只有星系內(nèi)部的氘也許還可以觀測。不過，恒星會把氘全部耗盡，幾乎剩不下多少。即便未來的天文學(xué)家們觀測到了氘，他們也無法判斷這是大爆炸的產(chǎn)物，因為與高能宇宙線有關(guān)的核反應(yīng)似乎也能解釋氘的存在。今天的科學(xué)家已經(jīng)認真研究了這種核反應(yīng)，他們認為目前觀測到的氘中，至少有一部分可能是這一過程產(chǎn)生的。
盡管輕元素的觀測豐度無法給大爆炸理論提供任何直接證據(jù)，但它仍能從一個側(cè)面，反映出未來的宇宙學(xué)并不等同于1個世紀前的靜態(tài)“宇宙島”。對原子核物理有所了解的天文學(xué)家和物理學(xué)家們，將得出恒星燃燒核燃料的正確結(jié)論。如果他們（錯誤地）假定，觀測到的所有氦都是前幾代恒星的產(chǎn)物，就能為宇宙的年齡設(shè)定一個上限。如此一來，這些科學(xué)家就將正確地推斷出，他們所處的這個“星系宇宙”并非永恒不變，宇宙的年齡是有限的。不過，觀測到的物質(zhì)如何起源，對他們來說，仍將是個無法破解的謎團。
未來的物理學(xué)家能不能完全從理論入手，就像本文開頭提到的那樣，由愛因斯坦的相對論預(yù)言宇宙的膨脹，進而提出大爆炸理論呢？在遙遠的未來，宇宙中的居民通過對“太陽系”中引力的精確測量，應(yīng)該可以發(fā)現(xiàn)廣義相對論。然而，這一理論能不能推斷出大爆炸，還取決于對宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的觀測數(shù)據(jù)。只有在宇宙中物質(zhì)分布均勻的情況下，愛因斯坦的理論才能預(yù)言宇宙正在膨脹。我們的后代所看到的宇宙絕不均勻。他們眼中的宇宙就是一座被廣袤的虛空包圍著的恒星島。事實上，那時候的宇宙看起來就像是德西特的宇宙島?？捎^測宇宙的最終宿命將是坍縮成一個黑洞，這也恰恰是銀河系在遙遠未來的最后結(jié)局。
太虛中的孤獨
對于我們的后代而言，難道沒有任何手段能夠感知到宇宙膨脹嗎？根據(jù)我們目前對廣義相對論的理解，至少還存在著一個加速膨脹效應(yīng)，確實可以在未來的可觀測視界之內(nèi)，向他們透露宇宙膨脹的秘密。正如黑洞的事件視界會向外發(fā)出輻射一樣，宇宙的事件視界也會發(fā)出輻射。不過，這個輻射對應(yīng)的溫度大約為10-30K，根本無法測量。即便天文學(xué)家能夠探測到它，也很可能把它歸結(jié)于其他比它強得多的本地噪聲源。
雄心勃勃的未來觀測者們也許還會發(fā)射一個探測器，沖出他們的超星系，人工創(chuàng)造出一個參照點，來探測可能存在的宇宙膨脹。他們真這么做的可能性似乎不大，不過無論如何，探測器都至少需要幾十億年，才能抵達宇宙膨脹能夠明顯改變它速度的地方；探測器還需要耗費相當(dāng)于一顆恒星總能量輸出的強大功率，才能在如此遙遠的距離上，給它的建造者傳遞信息。而且，根據(jù)我們自己的經(jīng)驗，未來的科學(xué)基金會也不太可能支持這樣一項完全不靠譜的項目。
因此，未來的觀測者們可能會預(yù)言，宇宙最終會在超星系的一場大坍縮（big crunch）中走向滅亡，而不是像宇宙學(xué)常數(shù)所預(yù)言的那樣，永恒膨脹下去。他們會認為，有限的宇宙不會歸于沉寂，而會在一聲轟然巨響中終結(jié)。
我們的理性分析得出了一個非常奇怪的結(jié)論：能夠讓智慧觀測者推斷出宇宙膨脹真相的時間窗口，可能非常短暫。一些文明也許應(yīng)該保留這些極其古老的歷史資料，你正在閱讀的這篇文章也許就是其中之一——如果它能躲過數(shù)十億年的戰(zhàn)爭、超新星、黑洞和無數(shù)其他危險而幸運地保存下去的話。當(dāng)然，未來的文明會不會相信，那就是另外一回事了。得不到這些歷史資料的智慧生命，將注定無法知曉大爆炸曾經(jīng)發(fā)生過的真相。
為什么現(xiàn)在的宇宙如此特殊？許多研究人員嘗試用人擇原理（Anthropic Principle）來解釋這一點。生命存在這一事實，已經(jīng)提供了一種選擇效應(yīng)，能夠解釋目前的種種巧合。（如果任何一個因素不是恰好如此的話，宇宙中就不會產(chǎn)生生命，也就不可能有智慧生物提出這個問題了。）不過，我們從自己的研究中得出了不同的結(jié)論。
首先，由于宇宙加速膨脹而導(dǎo)致的宇宙信息丟失，極有可能已經(jīng)不是第一次發(fā)生了。如果宇宙在極早期經(jīng)歷過一個暴漲（inflation）階段，那場瘋狂的膨脹就已經(jīng)把以前存在過的能量和物質(zhì)推到了今天的可觀測宇宙之外，那些能量和物質(zhì)包含的幾乎所有信息自然也就找不回來了。事實上，科學(xué)家提出暴漲模型的最初動機之一，就是要清除宇宙中一些難以解釋的奇異物質(zhì)，比如曾經(jīng)可能大量存在的磁單極子（magnetic monopole）。
更為重要的是，盡管我們有幸生活在這樣一個宇宙時期，能夠觀測到支持大爆炸的許多證據(jù)，我們也應(yīng)該認識到，宇宙還存在著其他今天已經(jīng)無法觀測的基本屬性。我們已經(jīng)丟失了什么信息？這個問題沒人能夠回答。與其自滿，寧可謙遜?；蛟S有一天，人們會發(fā)現(xiàn)，我們目前對宇宙看似嚴謹而全面的認識，其實是完全不合格的。
媒體轉(zhuǎn)載請先聯(lián)系editors@huanqiukexue.com,給雜志社打電話也行。
《環(huán)球科學(xué)》2015年6月號已經(jīng)上市，點擊閱讀原文到微店購買，送你“愛因斯坦的世紀”紀念海報?；貜?fù)S可以下載海報手機版。
聯(lián)系客服
