[转帖] 膨胀中的宇宙

夏加坤

夏加坤

10年前天文学家震惊地发现宇宙正加速膨胀中。他们至今仍深入探讨着这项发现的意涵。台湾《科学人》杂志4月号刊文《宇宙的尽头》，作了有关介绍。原文摘编如下：

　　重点提要

　　-10年前天文学家震惊地发现宇宙正加速膨胀中。他们至今仍深入探讨着这项发现的意涵。

　　-不断加速的膨胀终将导致星系以比光还快的速度彼此远离，消逝在我们的视线范围外。此过程会毁灭我们赖以测量宇宙膨胀的参考点，彻底稀释大霹雳所留下的特殊产物，使得宇宙看起来空无一物。简言之，所有宇宙起源的遗迹都会被摧毁，好像从未发生过大霹雳似的。

　　-对我们遥远的后代子孙而言，宇宙看起来像是个只散布着少许稀落恒星，并且一成不变、永无止境的空洞。

　　-有哪些知识已经被宇宙给抹灭了呢？

　　100年前《Scientific American》刊载的一篇关于宇宙大尺度结构的文章，很可能是完全错误的。1908年时，科学家认为我们的星系构成了整个宇宙，称之为“岛宇宙”，意思是我们的星团被孤立在无穷无尽的空洞里。我们现在知道银河系只是可观测的宇宙所包含至少4000亿个星系中的一员罢了。

　　1908年，科学上的共识认为宇宙是静态永恒的，根本没有人知道宇宙竟会起源于一团霹雳火球，也不晓得元素合成于大霹雳的最初时刻与恒星的内部核心，而空间的膨胀与物质可能导致空间弯曲，更是想都没想过的事情。由于侦测到宇宙诞生并冷却后残留的鬼魅影像，才证实了空间中充满辐射，而探究这些辐射所必须仰赖的科技，也是为了让人打电话回家才发展出来。

　　在过去一世纪的各学识领域中，很难找到变动比宇宙学还剧烈的，这些变动也确实改变了我们的世界观。但未来的科学是否总能在累积更多的观察基础后，获得更精确的认知呢？我们最近的研究结论认为，从宇宙的时间尺度上来说，答案是否定的。我们可能生存在宇宙极长远的历史中，唯一可以精确理解宇宙本质的年代。

　　大约10年前的一个戏剧性发现，开启了我们的研究动机。两群美国天文学家追踪过去50亿年间宇宙膨胀的情形，都发现宇宙似乎正在加速膨胀。一般认为真空中的某种新型态“暗能量”是这种宇宙反重力现象的源头。包括本文作者克劳斯在内的某些理论学家，根据间接测量的数据，早已预测到这个结果，但在物理学中，只有直接的观测才算数。加速的宇宙代表着，真空能量几乎是我们今日所观测到一切星系、星系团与超星系团等宇宙结构所含能量的三倍。相当讽刺的是，爱因斯坦为使宇宙保持静止状态而首先提出这种型态的能量，他把那称为宇宙常数。

　　暗能量对于宇宙的未来，具有极大的冲击。克劳斯和美国凯斯西储大学的宇宙学家史达克曼(Glenn Starkman)一起研究了在一个具有宇宙常数的宇宙中，生命的可能命运，他们得到的结论是：情况不妙，这样的宇宙对生命而言是个非常不友善的环境。宇宙常数会造成一个固定大小的“事件视界”。那是个假想的曲面，一旦距离超过这个界限，不论物质或辐射都无法抵达我们所在的位置。这种宇宙就像是个内外翻转的黑洞，物质与辐射被困在视界之外，而非视界之内。这项发现意味着可观测的宇宙只包含有限的信息，因此无法永远不间断地处理信息(与生命)。

　　但远在这个信息极限真正成为问题之前，膨胀宇宙中的所有物质早已被驱赶到事件视界之外了。这个过程已被当时同在美国哈佛大学的罗布(Abraham Loeb)与长峰谦太郎研究过了，他们发现所谓的本地星系群(包含了银河系、仙女座星系与一堆相互环绕的矮星系)将会崩塌成一个巨大无比的超级星团，而所有其它的星系则将越过事件视界，完全消失无踪。这个过程大概得花上1000亿年之久，看来似乎很长，但对渺无人烟的终极荒漠而言，其实蛮短暂的。

　　宇宙学的基石崩塌

　　在极遥远的未来，居住于此超级星团中的天文学家将如何描述宇宙的历史呢？要能够好好地思考这个问题，必须先回顾一下我们目前对宇宙的理解是建立在哪些基础之上。

　　首先是爱因斯坦的广义相对论。牛顿的万有引力理论作为大部份天文学的基础，已有将近300年的历史，它非常适用于预测从地球到星系尺度范围内的天体运动，但对无限大量的物质却完全无能为力。广义相对论克服了这个限制。在爱因斯坦于1916年发表他的理论后不久，荷兰物理学家德西特(William de Sitter)研究一个包含了宇宙常数的简单宇宙，并得出该模型广义相对论方程式的解，重现了当时对于宇宙的主流观点：一个镶嵌于广阔的空无与静态空洞中的岛星系。

　　宇宙学家很快就理解到德西特宣称的静态宇宙是个错误的解读。事实上，德西特的宇宙会永不停歇地膨胀，如同比利时物理学家勒梅特稍后的清楚解释，爱因斯坦方程式所预测的无限、均匀且静态的宇宙，根本不可能存在；宇宙一定会膨胀，或者收缩。后来的大霹雳理论，就是衍生自这个解释。

　　现代宇宙学的第二个基础，来自于天文学家在1920年代观测到的宇宙膨胀。第一位提供宇宙膨胀观测证据的人是美国天文学家斯里佛(Vesto Slipher)，他利用恒星光谱来测量邻近星系的速度。当恒星朝向地球运动时，光波波长会遭到压缩而缩短，使得光色偏蓝。当发光体远离地球时，光波长则会被拉扯变长，使光色看起来偏红。透过测量遥远星系发出的光波是被拉长或压短，斯里佛可以得知那些星系远离或接近我们的速度。(当时天文学家尚不确定那些我们称为“星系”的模糊发光区域，究竟是一些独立的恒星聚在一起，或只是位在我们星系内的云气而已。)斯里佛发现大部份星系都离我们而去，我们似乎就坐在膨胀区域的中心。

　　真正被视为宇宙膨胀发现者的并非斯里佛，而是美国天文学家哈伯(你什么时候听过斯里佛太空望远镜的大名呢？)。哈伯不仅测定了邻近星系的速度，也量得它们的距离。从他的测量数据推演出来的两项结论，使他留名青史。首先，哈伯证明了那些星系离我们非常远，所以它们其实如银河系一般是独立恒星的聚集。其次，他发现星系远离我们的速度直接正比于它与我们的距离；离我们两倍远的星系之速度，是离我们一倍远的星系速度的两倍，这正是宇宙膨胀呈现出来的效应。自那时起，哈伯的测量便不断被重新修订。最近的一次是透过观测遥远的超新星的方式，该项观测让我们发现暗能量。

　　第三个基础是微弱发光的宇宙微波背景辐射，那是1965年贝尔实验室的潘琪亚斯(Arno Penzias)与威尔逊(Robert Wilson)在追溯无线电波噪声原因时，无意间发现的。这种辐射很快地被确认是宇宙膨胀的早期阶段所遗留下来的，它代表宇宙刚开始是处于高热致密的状态，然后因膨胀而冷却、变得稀薄。

　　最后一个大霹雳的观测基础是，高热致密的早期宇宙是发生核融合的理想处所。当宇宙的温度到达绝对温度10亿至100亿K时，较轻的原子核会融合成较重的原子核，此过程称为大霹雳核合成作用。由于宇宙因膨胀而冷却，这个过程只会发生在最初的数分钟内，所以核融合只能产生最轻的几种元素。宇宙中大多数的氦是在那时产生的，氘与重氢也是。目前测得的氦与氘之丰度，符合大霹雳核合成作用的预期，成为大霹雳理论的左证，也让我们能够精确地量测宇宙间质子与中子的丰度。(作者：克劳斯、薛瑞；李沃龙译)