深度好文：宇宙加速膨脹的命運是什麼？

天下 09-02

劉慈欣為《太空將來時》寫過一個序，我很喜歡它的題目，叫《走了三十億年，我們幹嘛來了》。

三十億年是地球上生命起源和進化的歷史，從遠古地球的渾濁海洋中誕生第一個可以自我複製的有機分子，然後經過三十多億年漫長而曲折的進化，到人類從20萬年前走出非洲大陸，地球上終於出現了智慧文明的第一絲曙光。

大劉向人類提出了振聾發聵的問話：回首背後這條長得無法想像的路，現在己經是時候該問自己一句：

走了三十多億年，我們到底幹嘛來了？

銀河系 John P. Gleason

把三十億年放到宇宙的歷史長河中，也僅僅是一瞬間而己。

我們生存的這個宇宙己經存在了約137億年，大爆炸的火球創造了我們生存的這片時空。它也許是多重宇宙中的一個孤島，也許是亘古無垠的黑暗與空無中的唯一綠洲。

宇宙洪爐的餘燼淬鍊出了生命和智慧，而人類的智慧透過那無盡的黑暗塵埃，現在己經能洞察宇宙演化的秘密：這是人類智慧的勝利，同時也是因為：

我們生活在宇宙紀年中一個最好的時代。

30億年對於宇宙不過是滄海一瞬間圖源：維基百科

因為，這個時間剛剛好：沿著時間溯源而上，我們可以看到大爆炸的餘輝，即宇宙的微波背景輻射；看向未來，我們能推測現在的宇宙加速膨脹的命運是什麼？

現代宇宙學的「標準模型」，即宇宙的大爆炸理論，告訴我們，在大約137億年前，一個原始火球橫空出現於絕對的虛無之中。愛因斯坦的廣義相對論徹底改變了我們的時空觀念，時空是一種存在，而且是和物質相伴生的存在。換言之，物質不是存在於時空中，而是物質和時空互相影響互相依存。

所以，在大爆炸之前，不存在時空，大爆炸不是出現於「時空」中，而是出現在絕對的虛無中，並創造了時空。這有點類似於道家的「有生於無」的哲學觀點。

有意思的是，弗里德曼根據愛因斯坦的廣義相對論方程推導出了宇宙大爆炸的解，並指出我們整個宇宙一定還處在隨後的膨脹中。愛因斯坦拒絕相信一個非靜態的宇宙，並在他的方程中引入「宇宙學常數」來抵抗引力的作用，使宇宙能處於靜態。

但是五年後，哈勃對幾十個河外星系的觀察，證實了我們的宇宙正在膨脹中（著名的哈勃太空望遠鏡就是為了紀念這位哈勃而命名的）。多年後，愛因斯坦承認宇宙學常數是他一生中最大的失誤。但是正如科學發現道路上的其它曲折一樣，進一步的觀測表明，也許愛因斯坦並沒有錯得那麼離譜，這是後話。

標準宇宙模型告訴我們，宇宙源於一次大爆炸圖源：維基百科

這個原始大火球的溫度，在爆炸後，大約是我們太陽核心溫度的10萬億倍。你無法想像這個溫度，總之，溫度高得連任何基本粒子都無法存在，整個宇宙以純能量即光輻射的形式存在著。

正是這個宇宙誕生之初的光輻射，使得今天我們能夠直接驗證大爆炸理論。當初的輻射經過137億年的冷卻（更準確的說法，是在宇宙膨脹中發生的紅移，使光的波長增長，能量降低，即俗稱的冷卻），己經處在微波輻射的範圍。

1965年貝爾實驗室的兩位工程師彭齊亞斯和威爾遜在調試微波天線的時候無意中發現並證實了宇宙的微波背景輻射，並和理論預測完全吻合，他們也因此獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。

1979年，另一位科學家，阿倫古斯，對「標準模型」做出了進一步的修正。他在愛因斯坦的方程中發現了另一個解，在宇宙的極早期，在一個極其短的時間內（~10-32秒），宇宙暴漲了至少1030倍數。

這樣的數字很難為我們常人所理解，我們可以這樣來看這個速度有多驚人：宇宙經過137億年膨脹到今天的大小，絕大部分是在那麼電光火石的一瞬間暴漲出來的，可見暴漲的速度有多驚人。

這裡有一個小小的問題。對物理知識有所了解的同學們會有疑問，任何物質的速度都不可能超過光速，這樣的暴漲速度顯然遠遠超出了光速，這和狹義相對論矛盾啊？其實，這裡暴漲的是空間本身，空間的膨脹並不受光速的限制。由於空間本身的膨脹，所有在空間中的物質和能量也跟著一起膨脹，但並不是他們的運動速度超過了光速，而是被空間「拽」著膨脹，好似在一個正在吹脹的氣球表面的卡通圖案。

暴漲宇宙時間線圖源：維基百科

對於這個重大的科學論題，美國、歐盟和很多國家投入了很多資源來實驗驗證。前有1990年美國發射的宇宙背景探索者(COBE)，後有威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)，還有歐盟的普朗克太空飛船，以及安裝在南極的BICEP第一到第三代射電望遠鏡。儘管對一些證據還存在著爭論，如對BICEP2探測到的微波背景輻射極性化的來源，但是己經有越來越多的證據支持宇宙演化的模型，包括來自普朗克的最新成果(Science,v346,p1160,2014)

藝術家繪製的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）採集數據的景象圖源：維基百科

在科學界主流確立了宇宙膨脹的理論和實際觀測（哈勃的觀測）後，一個很自然的問題湧現出來：

宇宙未來的命運會是什麼樣的？

這是哈勃發布的迄今為止視野最廣的宇宙全景圖，包含了15000個星系圖源：NASA

哈勃發現了我們的宇宙正在膨脹，但是由於引力是宇宙中唯一己知的長距作用力（其它三種力：強力、弱力、電磁力都是短距作用的），而且永遠是吸引的，所以引力會逐漸地減慢宇宙膨脹的速度。

一個關鍵的問題是，宇宙中的物質總量是否足夠多，或者說，我們宇宙的引力是否足夠強大，能在遙遠的未來使宇宙膨脹完全剎車，並逆轉進程開始加速收縮？還是引力雖然能減慢宇宙膨脹的速度，但是不足於使它停止，於是宇宙將永遠膨脹下去？（數學上其實細分為三種情況，包括臨界膨脹，這裡不予討論）

這是一個關乎我們宇宙終極命運的大問題。

上世紀90年代，兩個擁有奇怪名字的科研小組，高-Z團隊（即紅移量較高）和SCP團隊（超新星宇宙學項目小組），幾乎同時開始了對宇宙這個生死攸關的問題的探索。

他們的方法幾乎是一樣的，即尋找宇宙中如朝露般轉瞬即逝的超新星爆發（la類超新星，它們的光度會隨時間而周期性變化，由此我們可以推算出該天體與我們的距離），以他們為標準光源，計算不同星系的距離和紅移速率（即膨脹的速率）。通過計算宇宙在不同時期的膨脹速率，推導出我們宇宙減速的快慢，從而得出宇宙最後將會是剎車收縮，還是繼續永遠膨脹下去。