宇宙的未来

——走近“大撕裂”

 

文/小月

 

近日，我在Science China—Physics, Mechanics &Astronomy网站上读到了一篇中国科研人员发布的论文《Dark energy and fate ofthe Universe》[1]，觉得这样的研究值得分享，就配上图，发了这样一条微博：“中国科学家真给力，http://t.cn/zWoNLqw，这篇论文计算出真正的“世界末日”！宇宙中暗能量约占70%，它将引发“宇宙大撕裂”（bigrip）。他们算出末日到来的时间下限是167亿年，上限是1035亿年。末日前2个月地球被迫挣脱太阳的引力，太阳在末日前28分钟毁灭，末日前16分钟地球爆炸。我们还有时间准备！”（该微博连接：http://weibo.com/1763003110/yudEzcY7T。）随即引来网友的各种吐槽：“167亿年，这个时间在我理解范围之外，研究这个有什么用”；“不是说太阳只能再燃烧50亿年吗？之后会吞噬地球。人类哪里还会等到167亿年？这样的研究太可笑了”；“大撕裂又怎么样，和我们的生活有什么关系，能涨工资吗”……

持有以上观点的网友不在少数，他们认为宇宙膨胀也好，收缩也罢，都和他们毫无关系，就算把精确的“宇宙末日时间表”摆在面前，也会选择视而不见，因为人类早在那之前就灭亡了，根本看不到什么“大撕裂”，所以这类研究是徒劳，没有现实意义。这种“短视”的行为暗示出人们潜意识里依旧把自己当成了“万物的中心”。如果无法亲眼见证多少亿年之后的宇宙末日，那宁愿不去费这个心思；相反，如果世界末日就是玛雅预言的2012，那说什么也要去抢购“船票”了。在这些人的观念中，仿佛宇宙万物都应该围着人转，一项研究有没有意义，当然取决于它所预测的结果是否能被人亲身经历；星云中的恒星形成区、星系中央的大质量黑洞、柯伊伯带的冰冷天体、木星上的大红斑、火星上的液态水，只要不能用来涨工资，统统没有关注的必要。从这个角度来看，我们不难理解为什么玛雅的“世界末日说”如此荒谬，却还有那么多人愿意相信；更不难理解那些占星爱好者一厢情愿地把各个天体的位置同人类的活动联系起来，并以此来预测人的命运。

说到底，人们骨子里总是不甘承认自己渺小。这样的“自恋情结”如果不摒弃，恐怕会错过宇宙中许多美丽的景致，失去它们带给你的珍贵的思想花火。人类没有那么伟大，战国的荀子就已经懂得“天行有常，不为尧存，不为舜亡”的道理。不是每一种对世界的探索都能直接影响我们的生活品质。事实上，无论宇宙是否始于“大爆炸”、终于“大撕裂”，它们的意义都不是我们的主观意志来赋予的。这类研究的意义不仅在于解答“我们从何而来”、“我们去往何方”这样的哲学命题，更在于验证我们现有的假说是否能解释宇宙的形成、演化甚至终结，而在这个过程中，我们在或不在，都微不足道。

让我们从暗能量说起。1998年是具有颠覆性的一年：在这之前，人类认为宇宙膨胀的速度越来越慢；而在这一年，劳伦斯伯克利国家实验室天体物理学家索尔·珀尔马特通过观测Ia型超新星，发现宇宙在加速膨胀，震动了宇宙学理论的基础。早在上世纪20年代，美国天文学家爱德文·哈勃就发现几乎所有星系（仙女座大星系Andromeda除外）的光谱线都向更长的波长移动。用多普勒效应来描述则更为清晰：一个光源如果正远离我们，我们观测到的波长就会比它发出的波长更长，这就是“红移”。所以，星系离我们越来越远。哈勃发现，星系离我们越远，退行速度就越快，且和距离成正比，即

 

cz=v=H₀d

    

   这便是著名的哈勃定律。其中，c是光速，z是红移，v是速度，d是距离，H₀是哈勃常数。

根据维基百科的定义，超新星是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。这种爆炸极其明亮，在此过程中所突发的电磁辐射通常能够照亮其所在的整个星系，并可持续几周至几个月才会逐渐衰减变为不可见。在这段期间内，一颗超新星所辐射的能量可以与太阳在其一生中的总辐射能量相媲美[2]。由于Ia型超新星的亮度比较恒定，通过观测它的“红移”，就能知道自它爆炸以来宇宙膨胀了多少。观测不同的超新星，可以得到不同年代的宇宙膨胀数据。索尔·珀尔马特发现，当红移z小于0.1的时候，哈勃定律成立；而在Ia型超新星的红移z约等于1的情形下，红移、速度、距离之间的线性关系就不成立，实际距离大于哈勃定律里红移所对应的距离，说明超新星以越来越快的速度远离我们，这就是宇宙在加速膨胀的证据。

 

图1  宇宙膨胀示意图

来源：NASA/STSci/Ann Feild

实证观测数据表明，宇宙在大约137.5亿年前从一场“大爆炸”中诞生，曾一度在极端炙热和异常致密的状态中剧烈膨胀。随着宇宙的冷却，膨胀速度也逐渐变慢。从上图可以看出，约60亿年前（根据钱德拉X射线望远镜的最新观测结果），宇宙中的物质又开始以更快的速度相互远离——是什么神秘的力量控制着宇宙的膨胀速度？

我们知道，物质之间的引力只会让它们靠得更近，一定存在某种“斥力”使宇宙的膨胀摆脱了引力的束缚，从而加快了速度。因此，宇宙学家提出了暗能量假说。根据NASA的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的“5年数据发布”，宇宙中的暗能量占74%，暗物质占22%，剩下的4%才是我们能观测到的“物质”[3]。震惊！这是能让我们认识到自身渺小的最有力数据。原来我们所知道的“物质”并不重要（写完这句话后，发现用英文来表达更有趣：Matter doesn’t matter！），而那黑暗的96%才是宇宙的“主要成分”！

 

 

图2  能量、物质在宇宙中的分布

 来源：wikipedia

“宇宙大撕裂”理论最初由美国新罕布什尔达特茅斯大学的物理学家罗伯特·卡德威尔提出。这是一个描述宇宙终结的理论，宇宙中的万物，大到恒星、星系，小到原子、夸克，都会在将来某一时间被暗能量驱动的宇宙膨胀扯碎。这个理论的关键值是状态方程参数ω，即暗能量压强和暗能量密度之比。当ω<1，整个宇宙就会上演一场惨壮的大撕裂，所有的距离都变得无穷大[4]。罗伯特·卡德威尔计算出从现在到宇宙终结所需要的时间：

其中，ω是状态方程参数，H₀是哈勃常数，Ω_m是宇宙中所有物质的密度的现值。

在罗伯特·卡德威尔的例子里，ω= ?1.5，H₀ = 70 km/s/Mpc，Ω_m = 0.3，“宇宙末日”将在220亿年后到来。其实，这并不是进行预测，而是给出了一个计算方法。罗伯特·卡德威尔根据实证数据，得知我们宇宙中的ω接近于-1。（1+ω）越接近0，分母就越接近0，大撕裂就离我们越遥远。如果ω真的等于-1，无论Ω_m和H₀的值为多少，大撕裂都不可能发生。当ω= ?1.5，罗伯特·卡德威尔测算出银河系等其他独立星系将在宇宙末日前的6千万年分崩离析；末日前的三个月，太阳系等类似星系将冲破引力的束缚；在最后一分钟，恒星和行星都将土崩瓦解；在宇宙终结的最后一瞬间，所有的原子都扯为碎片。

中国科研人员的论文《Darkenergy and fate of the Universe》在暗能量理论和大撕裂理论的基础上，用现在的观测数据做了模拟，得出在95.4%的置信区间下，宇宙从现在到大撕裂需经历的时间是167亿年（下限）；最佳拟合的时间是1035亿年（上限），见下图。

 

图3  “大撕裂”时间表

 来源：《Darkenergy and fate of the Universe》

这样的研究，会随着观测数据的增加而变得越来越可靠。目前，暗能量理论和大撕裂理论只是宇宙学中的一个假说，是根据已知的事实、原理和规律，对现有观测数据进行详细分类、归纳与分析后，对宇宙未来的演化、结局所做出的推测和猜想，这些理论的成熟需要更多的“证据”来支持和检验。

此刻，让我们回到地球。对我们来说，几百到几千亿年的“末日时钟”确实是难以想象的“天文数字”。暂且不看那么远，也不考虑地球生态环境可能发生的变化以及小行星等外来事件的影响，我们舒适的生活也总有一天会在太阳变成红巨星的时候彻底终结。但是我相信，我们还有足够的时间做准备。在太阳剩余的50亿年的燃烧里，我们留给后代的任务是Survive！Survive！Survive！绚烂的生命之花应由我们自己去努力争取。50亿年，我们完全不用怀疑人类的学习能力，当科技发展的速度超越宇宙膨胀的速度，人类阻止地球上的灾难，乃至从太阳系的毁灭中逃离出去，也许都不是难题。在战胜重重劫难之后，即使星系不断漂离远去、群星变得暗淡无光，即使人类仍然不懈地沉浸在计算“大撕裂”的执着中，也能获得更多的机会去见证宇宙更丰富、更详尽的未来。