宇宙的未來?——走近「大撕裂」

宇宙的未來

——走近「大撕裂」

文/小月

近日，我在Science China—Physics, Mechanics &Astronomy網站上讀到了一篇中國科研人員發布的論文《Dark energy and fate ofthe Universe》[1]，覺得這樣的研究值得分享，就配上圖，發了這樣一條微博：「中國科學家真給力，http://t.cn/zWoNLqw，這篇論文計算出真正的「世界末日」！宇宙中暗能量約佔70%，它將引發「宇宙大撕裂」（bigrip）。他們算出末日到來的時間下限是167億年，上限是1035億年。末日前2個月地球被迫掙脫太陽的引力，太陽在末日前28分鐘毀滅，末日前16分鐘地球爆炸。我們還有時間準備！」（該微博連接：http://weibo.com/1763003110/yudEzcY7T。）隨即引來網友的各種吐槽：「167億年，這個時間在我理解範圍之外，研究這個有什麼用」；「不是說太陽只能再燃燒50億年嗎？之後會吞噬地球。人類哪裡還會等到167億年？這樣的研究太可笑了」；「大撕裂又怎麼樣，和我們的生活有什麼關係，能漲工資嗎」……

持有以上觀點的網友不在少數，他們認為宇宙膨脹也好，收縮也罷，都和他們毫無關係，就算把精確的「宇宙末日時間表」擺在面前，也會選擇視而不見，因為人類早在那之前就滅亡了，根本看不到什麼「大撕裂」，所以這類研究是徒勞，沒有現實意義。這種「短視」的行為暗示出人們潛意識裡依舊把自己當成了「萬物的中心」。如果無法親眼見證多少億年之後的宇宙末日，那寧願不去費這個心思；相反，如果世界末日就是瑪雅預言的2012，那說什麼也要去搶購「船票」了。在這些人的觀念中，彷彿宇宙萬物都應該圍著人轉，一項研究有沒有意義，當然取決於它所預測的結果是否能被人親身經歷；星雲中的恆星形成區、星系中央的大質量黑洞、柯伊伯帶的冰冷天體、木星上的大紅斑、火星上的液態水，只要不能用來漲工資，統統沒有關注的必要。從這個角度來看，我們不難理解為什麼瑪雅的「世界末日說」如此荒謬，卻還有那麼多人願意相信；更不難理解那些占星愛好者一廂情願地把各個天體的位置同人類的活動聯繫起來，並以此來預測人的命運。

說到底，人們骨子裡總是不甘承認自己渺小。這樣的「自戀情結」如果不摒棄，恐怕會錯過宇宙中許多美麗的景緻，失去它們帶給你的珍貴的思想花火。人類沒有那麼偉大，戰國的荀子就已經懂得「天行有常，不為堯存，不為舜亡」的道理。不是每一種對世界的探索都能直接影響我們的生活品質。事實上，無論宇宙是否始於「大爆炸」、終於「大撕裂」，它們的意義都不是我們的主觀意志來賦予的。這類研究的意義不僅在於解答「我們從何而來」、「我們去往何方」這樣的哲學命題，更在於驗證我們現有的假說是否能解釋宇宙的形成、演化甚至終結，而在這個過程中，我們在或不在，都微不足道。

讓我們從暗能量說起。1998年是具有顛覆性的一年：在這之前，人類認為宇宙膨脹的速度越來越慢；而在這一年，勞倫斯伯克利國家實驗室天體物理學家索爾·珀爾馬特通過觀測Ia型超新星，發現宇宙在加速膨脹，震動了宇宙學理論的基礎。早在上世紀20年代，美國天文學家愛德文·哈勃就發現幾乎所有星系（仙女座大星系Andromeda除外）的光譜線都向更長的波長移動。用多普勒效應來描述則更為清晰：一個光源如果正遠離我們，我們觀測到的波長就會比它發出的波長更長，這就是「紅移」。所以，星系離我們越來越遠。哈勃發現，星系離我們越遠，退行速度就越快，且和距離成正比，即

cz=v=H₀d

這便是著名的哈勃定律。其中，c是光速，z是紅移，v是速度，d是距離，H₀是哈勃常數。

根據維基百科的定義，超新星是某些恆星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸極其明亮，在此過程中所突發的電磁輻射通常能夠照亮其所在的整個星系，並可持續幾周至幾個月才會逐漸衰減變為不可見。在這段期間內，一顆超新星所輻射的能量可以與太陽在其一生中的總輻射能量相媲美[2]。由於Ia型超新星的亮度比較恆定，通過觀測它的「紅移」，就能知道自它爆炸以來宇宙膨脹了多少。觀測不同的超新星，可以得到不同年代的宇宙膨脹數據。索爾·珀爾馬特發現，當紅移z小於0.1的時候，哈勃定律成立；而在Ia型超新星的紅移z約等於1的情形下，紅移、速度、距離之間的線性關係就不成立，實際距離大於哈勃定律里紅移所對應的距離，說明超新星以越來越快的速度遠離我們，這就是宇宙在加速膨脹的證據。

圖1 宇宙膨脹示意圖

來源：NASA/STSci/Ann Feild

實證觀測數據表明，宇宙在大約137.5億年前從一場「大爆炸」中誕生，曾一度在極端炙熱和異常緻密的狀態中劇烈膨脹。隨著宇宙的冷卻，膨脹速度也逐漸變慢。從上圖可以看出，約60億年前（根據錢德拉X射線望遠鏡的最新觀測結果），宇宙中的物質又開始以更快的速度相互遠離——是什麼神秘的力量控制著宇宙的膨脹速度？

我們知道，物質之間的引力只會讓它們靠得更近，一定存在某種「斥力」使宇宙的膨脹擺脫了引力的束縛，從而加快了速度。因此，宇宙學家提出了暗能量假說。根據NASA的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）的「5年數據發布」，宇宙中的暗能量佔74%，暗物質佔22%，剩下的4%才是我們能觀測到的「物質」[3]。震驚！這是能讓我們認識到自身渺小的最有力數據。原來我們所知道的「物質」並不重要（寫完這句話後，發現用英文來表達更有趣：Matter doesn』t matter！），而那黑暗的96%才是宇宙的「主要成分」！

來源：wikipedia

「宇宙大撕裂」理論最初由美國新罕布希爾達特茅斯大學的物理學家羅伯特·卡德威爾提出。這是一個描述宇宙終結的理論，宇宙中的萬物，大到恆星、星系，小到原子、夸克，都會在將來某一時間被暗能量驅動的宇宙膨脹扯碎。這個理論的關鍵值是狀態方程參數ω，即暗能量壓強和暗能量密度之比。當ω<1，整個宇宙就會上演一場慘壯的大撕裂，所有的距離都變得無窮大[4]。羅伯特·卡德威爾計算出從現在到宇宙終結所需要的時間：

其中，ω是狀態方程參數，H₀是哈勃常數，Ω_m是宇宙中所有物質的密度的現值。

在羅伯特·卡德威爾的例子里，ω=?1.5，H₀=70km/s/Mpc，Ω_m=0.3，「宇宙末日」將在220億年後到來。其實，這並不是進行預測，而是給出了一個計算方法。羅伯特·卡德威爾根據實證數據，得知我們宇宙中的ω接近於-1。（1+ω）越接近0，分母就越接近0，大撕裂就離我們越遙遠。如果ω真的等於-1，無論Ω_m和H₀的值為多少，大撕裂都不可能發生。當ω=?1.5，羅伯特·卡德威爾測算出銀河系等其他獨立星系將在宇宙末日前的6千萬年分崩離析；末日前的三個月，太陽系等類似星系將衝破引力的束縛；在最後一分鐘，恆星和行星都將土崩瓦解；在宇宙終結的最後一瞬間，所有的原子都扯為碎片。

中國科研人員的論文《Darkenergy and fate of the Universe》在暗能量理論和大撕裂理論的基礎上，用現在的觀測數據做了模擬，得出在95.4%的置信區間下，宇宙從現在到大撕裂需經歷的時間是167億年（下限）；最佳擬合的時間是1035億年（上限），見下圖。

圖3 「大撕裂」時間表

來源：《Darkenergy and fate of the Universe》

這樣的研究，會隨著觀測數據的增加而變得越來越可靠。目前，暗能量理論和大撕裂理論只是宇宙學中的一個假說，是根據已知的事實、原理和規律，對現有觀測數據進行詳細分類、歸納與分析後，對宇宙未來的演化、結局所做出的推測和猜想，這些理論的成熟需要更多的「證據」來支持和檢驗。

此刻，讓我們回到地球。對我們來說，幾百到幾千億年的「末日時鐘」確實是難以想像的「天文數字」。暫且不看那麼遠，也不考慮地球生態環境可能發生的變化以及小行星等外來事件的影響，我們舒適的生活也總有一天會在太陽變成紅巨星的時候徹底終結。但是我相信，我們還有足夠的時間做準備。在太陽剩餘的50億年的燃燒里，我們留給後代的任務是Survive！Survive！Survive！絢爛的生命之花應由我們自己去努力爭取。50億年，我們完全不用懷疑人類的學習能力，當科技發展的速度超越宇宙膨脹的速度，人類阻止地球上的災難，乃至從太陽系的毀滅中逃離出去，也許都不是難題。在戰勝重重劫難之後，即使星系不斷漂離遠去、群星變得暗淡無光，即使人類仍然不懈地沉浸在計算「大撕裂」的執著中，也能獲得更多的機會去見證宇宙更豐富、更詳盡的未來。