宇宙會不會有末日？
選自《給孩子講宇宙》
宇宙會不會有末日？在絕大部分的人類歷史上，這個問題都只能是宗教或哲學問題；但在經歷了過去一百年科學的飛速發展之後，現在它已經變成了一個真正意義上的科學問題。恐怕你們很難想像，這個問題的答案竟然是：「確實存在會遇到宇宙末日的可能性！」很恐怖，對吧？但它的的確確是真的。
愛因斯坦提出廣義相對論後，馬上就用它來研究整個宇宙。結果不研究不要緊，一研究就出了巨大的問題。我們都知道，由於地球的萬有引力，各種拋到天上去的物體最終都會落回地面。要想使這些物體不落回來，無外乎有兩種辦法：第一，讓物體以很高的速度往外跑，比如人造衛星；第二，讓物體受到與地球引力方向相反的力，比如熱氣球。現在，把這個觀察推廣到整個宇宙。愛因斯坦發現，由於引力的作用，整個宇宙最終都會塌縮成一團。要真是這樣的話，地球肯定會被擠扁。類似地，要想阻止宇宙的塌縮，也只有兩個辦法：（1）讓整個宇宙都以很大的速度向外膨脹；（2）讓宇宙中存在一種能產生斥力的物質，從而與引力相抗衡。
因此，愛因斯坦修改了自己的廣義相對論，在其中加了一個宇宙常數項。這一項的作用是產生斥力，而且這個斥力的大小完全取決於宇宙常數的大小。通過調節宇宙常數的值，可以使它產生的斥力恰好等於宇宙中所有物質產生的引力，從而使整個宇宙保持靜止。但到了 20 世紀 30 年代初，美國天文學家哈勃利用造父變星的標準燭光發現整個宇宙其實在膨脹。1998 年，兩個美國的研究小組又有新發現：我們的宇宙不但在膨脹，而且還是在加速膨脹。也就是說，在宇宙中存在著一種非常神秘的物質，叫暗能量；它的作用，就是為宇宙當前的加速膨脹提供斥力。
暗能量
可能有人要問了：「暗能量到底是什麼東西呀？」實話告訴你們，現在這世界上還沒有任何一個人能夠準確無誤地回答這個問題。暗能量具有以下三個主要性質：（1）暗能量是「暗」的，它不會發光，也不會反射光，所以我們永遠都無法看見它。（2）與常規的物質不同，暗能量產生的不是引力，而是斥力。（3）一般認為，暗能量來自真空，所以它無處不在，而且均勻地彌散在整個宇宙中。
換句話說，暗能量其實離我們並不遙遠，它就藏在我們每一個人的體內和身邊。那為什麼我們在日常生活中完全感受不到暗能量的存在呢？因為它的密度實在是太小了。然而，儘管暗能量的密度特別小，但宇宙的任何一個地方都會有它。所以暗能量就積少成多，成了宇宙中一支非常強大的勢力。最新的天文觀測表明，暗能量占宇宙總物質的比例達到將近 70%。換言之，暗能量才是宇宙中的主導力量，而它的性質將決定宇宙最終的命運。
1999 年，美國物理學家羅伯特·考德威爾提出了一個全新的暗能量模型。他指出：暗能量的密度有可能會隨著時間的推移而不斷變大！
我來給大家解釋一下這到底意味著什麼。眾所周知，我們所熟悉的世界，它的穩定是靠引力維繫的。舉例來說，我們之所以不會飄向太空，是因為地球的引力拉住了我們；地球之所以不會飄向太空，是因為太陽的引力拉住了地球；太陽之所以不會飄向太空，是因為銀河系中心黑洞的引力拉住了太陽。如果沒有萬有引力，一切都會土崩瓦解。引力有一個特點，就是它非常穩定，不會因為時間而改變。換句話說，無論經過多長時間，維繫地球、太陽系和銀河系的引力都不會變大或變小。
我們前面說過，宇宙中每一個角落都存在暗能量，而且它會產生斥力。由於暗能量的密度特別小，導致它產生的斥力也特別小，所以我們在日常生活中根本就感受不到它的存在。但如果考德威爾的理論是對的，那麻煩可就大了。幻影暗能量的密度會隨著時間的推移而不斷地變大，從而導致由它產生的斥力也不斷變大；與之相對，維繫世界穩定的引力卻永遠保持不變。所以總有一天，斥力將會超過引力，從而破壞原本由引力維繫的這個世界的穩定。換句話說，到時候宇宙中所有的結構，無論是銀河系、太陽系、地球還是我們本身，都會從內部被幻影暗能量撕碎。這個恐怖的末日景象就是「宇宙大撕裂」。
「宇宙大撕裂」會發生嗎？ 2012 年，本書作者與其他三位同事合作，用當時最新的天文觀測數據研究了宇宙最終的命運，後來發表的文章得到了幾十家中外媒體的報道。我們的研究表明，目前的天文觀測確實無法排除發生「宇宙大撕裂」的可能。在最壞的情況下，宇宙甚至有可能在 167 億年後就遭遇毀滅。
當然大家也不用擔心，宇宙的最終命運將取決於暗能量的性質。而對暗能量的探索，無疑將成為21 世紀最重要的科學任務之一。
TAG:小博集 |