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如果宇宙有一个终结

(《新发现》专栏,勿转)

宇宙是如何开始的?我们通过肉眼和各种仪器看到的天体和结构是如何形成的?这是一个起源问题,一个科学上的终极问题。这个终极之问和高更的“我们从哪里来”有关。宇宙学就像历史学和考古学,都是关于过去的学问。那么,宇宙的未来是什么?宇宙会终结吗?如果终结,是终结了一场大坍缩,还是一个大爆炸?还是像诗人艾略特写的那样:“这就是世界结束的方式,并非一声巨响,而是一阵呜咽”?这个问题,科学家们问的次数比较少一些,但现在已经开始问了。这个问题是高更的“我们向何处去”的翻版。

最近,我收到中国科学技术大学的一位教授的来信。来信问,凤凰网科技频道翻译了一篇外媒文章,那篇外媒文章的标题是《倒计时:地球将在宇宙毁灭之前一刻被抛出太阳系(但还需要167亿年)》。我很快意识到这篇外媒文章其实报道了我和一些年轻合作者今年二月份写的一篇论文。

在我们的论文中,我们开始问,也许不是第一个这么问,宇宙的未来是什么?宇宙会终结吗?得到的答案是,宇宙也许会终结,至少还能存在167亿年。这个答案并不可怕,因为167亿年要长于太阳未来的寿命。另外,我们只是得出一种可能的结论,不是肯定的。利用我们已经掌握的宇宙数据,宇宙在95.4%的 置信度上,至少还能存在167亿年。

但媒体并不会仔细复述论文的结论,他们将目光集中在167亿年上面,认为这是我们的结论。

那么,我们是如何得到以上结果的?前面说过,宇宙学研究很类似考古学,需要收集资料,这些资料在考古学中就是化石和遗迹。宇宙学中有几种重要的“遗迹”。一种是遥远的天体,这些包括类星体,超新星,伽玛暴,还有古老的星系和恒星。早在上世纪三十年代,哈勃等人就是通过对造父变星的观测发现宇宙膨胀这个事实的。造父变星是当时最好的宇宙中的标准烛光——它们的亮度恒定,所以我们从表面亮度可以推测它们距离我们有多远。最新最远的标准烛光是IA型超新星,14年前,两批天文学家利用IA型超新星的数据推测出宇宙不仅在膨胀,而且膨胀的速度在加速。这个发现就是著名的暗能量的发现。除了遥远的天体,最老的遗迹还包括宇宙微波背景辐射,背景辐射中含有大量的宇宙早期信息,其中也有对宇宙膨胀历史的限制。第三种重要的遗迹是宇宙中星系和星系团在非常大的尺度上形成的结构,这些结构由于是通过演化而成,也包含宇宙历史的信息。

宇宙学与考古学的第二个相似点是模型。如果没有模型,我们对着化石会一筹莫展。考古学家通过化石的积累和分析,会提出模型,例如达尔文进化论就是一个很大虽然很粗糙的模型,当然现代古生物学还会提出更加细致的模型。宇宙学家相比考古学家有一个极有利的条件,我们对物理学规律认识得很清楚了,这些包括万有引力以及另外三种相互作用。这些理论帮助宇宙学家自爱因斯坦起就可以计算宇宙的历史。

通过对前面提到那些遗迹的观测,天文学家积累了很多数据,这些数据每年在更新,而且增加的速度越来越快,这就使得我们不仅可以通过数据以及模型重构宇宙过去的历史,甚至,如果我们的胆子稍微大一些的话,可以帮助我们推测宇宙的未来。在我和一些年轻人的那篇论文中,我们做的就是这个。我们利用了三种宇宙学遗迹的数据,推测了宇宙的未来。

我们假定,使得宇宙加速膨胀的那种奇怪的能量,暗能量,是可以随时间变化的。现在,有部分同行——我不知道比例是多大,也许有一半——认为暗能量密度是常量,这样的话,宇宙加速度将趋向一个常量。随着宇宙不断地膨胀,物质的密度将越来越小,由于暗能密度不变,它的比重将越来越大,宇宙将无限地加速膨胀下去。这样的前景是暗淡的,宇宙虽不会终结于毁灭,但数百亿年后,除了银河系外我们将看不到附近有任何其他星系。银河系中的大多数恒星也将燃烧尽,数百亿年后我们的周围将是一片黑暗。暗能量如果是时间的函数,有两种可能,一种是能量密度越来越小,这是一个最好的前景,宇宙膨胀的加速度将变小,最后变成减速度,宇宙可能不至于终结于无穷无尽的黑暗。另一种情况就是我们研究得到的最可能的结论,暗能量密度将越来越大,宇宙膨胀的加速度将越来越大,最后在有限的时间内达到无限大。达到无限大的那个点叫大撕裂。宇宙临近那个时间时,任意两个点之间的分离速度将接近光速,也就是说任意两点之间的通讯将越来越困难,最后,宇宙被撕成一个一个单独的点。

宇宙最有可能的终极时间一千亿年后。宇宙达到大撕裂点最早的可能是165亿年后,也就是说,宇宙的寿命至少是165亿年的可能性有95%, 这也包括宇宙的寿命是无限的情况。所以,我们的研究结果并不肯定宇宙一定终结于大撕裂。万一宇宙终结于大撕裂,那么,在达到大撕裂之前的2亿年,银河系将被撕裂;13个月之前,地球将被扯离太阳系;30天之前,月球将被扯离地球;一百分钟之前,地球也将毁灭。

这里我要提醒大家,宇宙终于大撕裂只是一种可能,我们不能排除其他可能。也就是说,我们现在还没有足够证据证明暗能量密度会随时间变化——如果有足够证据,这个发现将和宇宙加速膨胀的发现一样重要。

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