爆炸宇宙学, 1000亿年后不再存在

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100年前《科学美国人》上刊登的一篇有关宇宙历史和大尺度结构(large-scale structure)的文章,几乎完全错了。

1908年,科学家们相信,我们身处的这个星系就是整个宇宙。他们认为宇宙就是被无尽的虚空包围着的一群孤独的恒星,因此宇宙又被称为“宇宙岛”(island universe)。现在我们知道,银河系不过是目前能够观测到的4,000多亿个星系之中的普通一员。

1908年,科学界一致认为宇宙是静态而永恒的。宇宙起源于一场炽热的大爆炸,这样的观点哪怕是最疯狂的幻想家也根本未曾想过。元素在大爆炸最初时刻产生,后来在恒星内部合成的理念,在1908年还不为人知;空间会膨胀和弯曲、物质决定空间曲率的说法更是天方夜谭。整个宇宙空间都沉浸在创世大爆炸的寒冷余辉留下的微波辐射之中这一事实,要等到现代技术发展起来以后,才会被人发现。有趣的是,发明这种技术的目的,并不是为了探索宇宙,而是为了让人们能够打电话回家。

很难想象,在过去的一个世纪里,还会有哪个知识领域像宇宙学这样,经历如此天翻地覆的变化,这种变化还改变了我们对世界的看法。不过,未来的科学一定比过去更能反映实际情况吗?我们最近所作的一项研究暗示,在宇宙学时标(cosmic timescale,足以明显看出宇宙演化的时间尺度,动辄以亿年为单位)上,这个问题的答案是否定的。我们极有可能生活在宇宙历史上唯一一个,能够让科学家准确了解宇宙真实情况的时代。

我们这项研究的起因,源于10年前天文学上一个引人注目的大发现。当时,两个各自独立的天文学家团队追溯了过去50亿年宇宙的膨胀过程,发现宇宙似乎正在加速膨胀。科学家们认为,这种让宇宙对抗引力作用而加速膨胀的力量,源于一种与真空联系在一起的“暗能量”(dark energy)。事实上,在此之前,包括本文作者克劳斯在内的一些理论学家,就已经通过间接测量预料到了这一结果。不过从物理学角度来说,这项发现应该算是第一个直接观测证据。宇宙的加速膨胀意味着真空中包含着大量能量:就算把当前能够观测到的宇宙结构,包括星系、星系团和超星系团等全加在一起,所含能量也仅仅相当于真空能量的1/3。具有讽刺意味的是,这种形式的能量最早是爱因斯坦提出的,目的却是为了维持一个静态的宇宙。他把这种能量称为“宇宙学常数”(cosmological constant)。

暗能量将对宇宙的未来产生巨大的影响。克劳斯曾经和美国华盛顿天主教大学(Case Western Reserve University)的宇宙学家格伦·斯塔克曼(Glenn Starkman)一起,合作探讨了这样一个问题:在一个包含宇宙学常数的宇宙中,生命的最终命运将会如何。结论是:不太乐观。这样一个宇宙将演变成一个非常不适宜生存的地方。宇宙学常数会产生一个固定的“事件视界”(event horizon),在这种假想边界以外,任何辐射或物质都不可能被我们看到。宇宙看起来就像一个内外颠倒的黑洞,物质和辐射不断被吸出视界,然后永不回头。这一发现意味着,可观测宇宙包含的信息是有限的,因此生命和信息处理过程都不可能永久持续下去。

不过,用不着担心有限的信息可能会带来麻烦,在信息极限成为问题之前很久,所有随着宇宙一起膨胀的物质就会被推到事件视界以外。美国哈佛大学的亚伯拉罕·洛布(Abraham Loeb)和长峰健太郎(Kentaro Nagamine)研究了这一过程。他们发现,我们所说的“本星系群”(Local Group of galaxies,由银河系、仙女座星系和许多围绕它们旋转的矮星系构成)将坍缩成一个巨大的超星系。所有其他的星系都将消失在事件视界以外。这个过程将历时1,000亿年,看起来也许很长,但与永恒的荒芜相比,也只不过是转瞬之间而已。

大爆炸的观测证据

对于生活在遥远的未来、居住在这个超星系里的天文学家来说,他们又将如何去演绎宇宙的历史?想要探讨这个问题,我们必须先回顾一下,支撑我们目前的宇宙观——大爆炸理论的几大支柱。

第一个支柱是爱因斯坦的广义相对论。在它出现之前的近300年里,牛顿理论一直是天文学几乎所有分支的基础。从地球到星系,不论在什么尺度下,牛顿理论都能准确预言物体的运动状态。但是,对于无穷大的物质集合,牛顿理论就完全不适用了。广义相对论突破了这个局限。1916年,爱因斯坦公布了广义相对论,并且提出了一个包含宇宙学常数的简单方程,用来描述宇宙。此后不久,荷兰物理学家威廉·德西特(Willem de Sitter)就求出了方程的一个解。德西特的结果似乎与当时人们公认的宇宙图景完全一致:宇宙是被广袤且永恒不变的虚空包围着的一座宇宙岛。

宇宙学家们很快意识到,这种永恒不变的静止状态是一种误解。事实上,德西特的宇宙会永远膨胀下去。比利时物理学家乔治·勒迈特(Georges Lema tre)后来证明,爱因斯坦的宇宙学方程预言,宇宙要么膨胀,要么收缩,无限、均匀、永恒不变的宇宙不可能存在。后来被人称为“大爆炸”的理论,就是在这个观点的基础上产生的。

第二个支柱出现在20世纪20年代,天文学家们观测到了宇宙的膨胀。第一个为宇宙膨胀提供观测证据的人,是美国天文学家维斯托·斯莱弗(Vesto Slipher),当时他用恒星光谱测量了邻近星系的速度。正在移向地球的恒星发出的光波会被压缩,波长变短,导致星光颜色向蓝色端偏移(蓝移);正在远离我们的天体发出的光波则被拉伸,波长变长,颜色向红色端偏移(红移)。通过测量遥远星系发出的光波是被压缩还是拉伸,斯莱弗就能确定它们是在移向我们还是远离我们,还能测量它们的运动速度。(当时的天文学家们甚至不能确定,这些今天被称为“星系”的暗弱光斑,究竟是独立的恒星集团,还是银河系中的气体星云。)斯莱弗发现,几乎所有的星系都正在远离我们而去。我们似乎处在一个膨胀宇宙的中心。

不过,我们通常并不把宇宙膨胀的发现归功于斯莱弗,而是将功劳算在了美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)的头上。(不然就不会有哈勃空间望远镜,而应该是斯莱弗空间望远镜了。)哈勃不仅测定了邻近星系的速度,还测定了它们的距离。这些测量让他得出了两个重要的结论,足以说明宇宙膨胀发现者的桂冠非他莫属。第一,哈勃证明这些星系确实非常遥远,从而证明它们和我们所处的银河系一样,是独立的恒星集团。第二,他发现星系的距离与速度之间存在简单的对应关系:星系的速度正比于它与我们之间的距离。也就是说,一个星系到我们的距离是另一个的两倍,那么它远离我们而去的速度也会是另一个星系的两倍。距离与速度之间的这一关系,恰好是宇宙正在膨胀的标志。哈勃的测量结果后来不断得到修正,最近一次修正使用了遥远超新星的观测数据——正是这次修正导致了暗能量的发现。

第三个支柱是宇宙微波背景中的黯淡光辉。这是美国贝尔实验室的物理学家阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson),在1965年追查射电干扰源时意外发现的。科学家们很快就意识到,这种辐射正是宇宙膨胀早期阶段残留下来的一种遗迹。它意味着宇宙最初是灼热而致密的,后来才逐渐冷却,变得越来越稀薄。

炽热的早期宇宙还是核聚变的理想场所,这是大爆炸理论的最后一个观测支柱。当宇宙温度高达10亿到100亿K时,较轻的原子核能够聚变为较重的原子核,这个过程被称为“大爆炸核合成”(big bang nucleosynthesis)。随着宇宙的膨胀,温度会迅速下降,因此核合成只能持续短短几分钟,聚变也只能发生在最轻的几种元素之间。宇宙中的大部分氦和氘都是在那个时候形成的。天文学家对宇宙中氦和氘丰度的测量结果,与大爆炸核合成的理论预言吻合。核合成还准确预言了宇宙中质子和中子的丰度,为大爆炸理论提供了进一步的证据。

黑暗的天空

距今1,000亿年后,未来的科学家们在仰望天空时,会看到些什么?如果不借助望远镜,他们看到的景象大概跟今天的星空没什么两样:天空中散布着属于他们所在星系的恒星。到那时,最大最亮的恒星应该早就耗尽了核燃料,为数众多的较小恒星依然会点亮夜空。不过,当未来的科学家们建造出望远镜,有能力观测他们所在星系以外的其他星系时,情况就大不相同了。他们将看不到任何东西!到那时,邻近的星系已经和银河系并合成一个超星系,所有其他的星系全都将消失不见,逃出事件视界之外。

遥远的星系不会瞬间消失,而是会逐渐淡出我们的视线。这些星系靠近视界时,红移将趋近于无穷大。克劳斯和斯塔克曼的计算表明:1,000亿年后,所有星系的红移都将超过5,000;10万亿年后,这些星系的红移都将高达1053。到那时,即使是能量最高的宇宙线,波长也会因为红移太大而超过视界的尺度。这样,我们就真的完全看不到这些天体了。

因此,哈勃关于宇宙膨胀的重要发现将无法重现。所有随着宇宙一起膨胀的物质都将消失在视界之外,只有被引力束缚在一起的超星系才会被保留下来。对于未来的天文学家们来说,1908年的“宇宙岛”恰恰是可观测宇宙的真实写照:一个巨大的恒星集团,永恒而宁静地被包裹在一片虚空之中。

我们自己的研究经验显示,就算获得了数据,正确的宇宙模型也并非那么一目了然。从20世纪40年代到60年代中期,以哈勃发现的膨胀宇宙为基础,天文学家建起了一座观测宇宙学大厦。不过,一些天文学家仍然不放弃宇宙永恒的观念,提出了稳恒态宇宙模型(steady-state universe)。这种理论假设,随着宇宙的膨胀,物质会不断产生,因此就整体而言,宇宙并不会随时间而变化。今天的观测已经证明,稳恒态宇宙是行不通的。不过这种想法也表明,在缺乏足够的观测数据时,类似的错误观念是有可能出现的。

未来的天文学家能不能找到大爆炸的其他依据?他们能不能用宇宙微波背景来探索宇宙的动态演化?很可惜,答案仍然是否定的。随着宇宙的膨胀,背景辐射的波长也会变长,辐射也会更加弥散。当宇宙的年龄达到1,000亿年时,微波背景的峰值波长也将长达几米——已经不再是微波,而是射电波了。辐射强度也会降低到目前强度的一万亿分之一,也许再也观测不到了。

随着时间的继续流逝,宇宙背景将变得不可观测。在我们所处的星系中,恒星之间充斥着一种电子电离气体。低频射电波无法穿透这些气体,它们会被吸收或者反射回去。类似的效应可以解释,为什么我们能在夜晚收听到遥远城市的调幅广播,因为无线电波会被电离层反射再折回地面。星际介质可以看作为充斥于星系之中的一个巨型电离层。任何频率低于1,000赫兹(即波长长于300千米)的射电波,都无法在我们所处的星系中传播。频率低于1,000赫兹的射电天文学,永远不可能在星系内部建立起来。当宇宙的年龄达到目前年龄的25倍时,微波背景的波长就会被拉伸到这个极限之上,星系内的居民也就不可能再探测到这种辐射。甚至在这一天到来之前很久,微波背景中那些给今天的宇宙学家们提供了许多有用信息的精细图案,就会因为信号变得太弱而无法研究了。

宇宙学的末日

2008-04-21 《环球科学》2008年第4期

撰文 劳伦斯·M·克劳斯(Lawrence M. Krauss)

罗伯特·J·谢勒(Robert J. Scherrer)

翻译 杨宇飞 冯珑珑

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作者 tuenhai:这个星球上对大道理解最为深刻的人,著有《道解相对论》《圣医治国——黄帝内经客观点评》《理性即慧根》《父母怎么教育孩子》。咨询微信或QQ (备注 tuenhai.com)

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