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(fā)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(fā)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”！宇宙中暗能量約占70%，它將引發(fā)“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，這個時間在我理解范圍之外，研究這個有什么用”；“不是說太陽只能再燃燒50億年嗎？之后會吞噬地球。人類哪里還會等到167億年？這樣的研究太可笑了”；“大撕裂又怎么樣，和我們的生活有什么關系，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，都和他們毫無關系，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，根本看不到什么“大撕裂”，所以這類研究是徒勞，沒有現(xiàn)實意義。這種“短視”的行為暗示出人們潛意識里依舊把自己當成了“萬物的中心”。如果無法親眼見證多少億年之后的宇宙末日，那寧愿不去費這個心思；相反，如果世界末日就是瑪雅預言的2012，那說什么也要去搶購“船票”了。在這些人的觀念中，仿佛宇宙萬物都應該圍著人轉，一項研究有沒有意義，當然取決于它所預測的結果是否能被人親身經歷；星云中的恒星形成區(qū)、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(tài)水，只要不能用來漲工資，統(tǒng)統(tǒng)沒有關注的必要。從這個角度來看，我們不難理解為什么瑪雅的“世界末日說”如此荒謬，卻還有那么多人愿意相信；更不難理解那些占星愛好者一廂情愿地把各個天體的位置同人類的活動聯(lián)系起來，并以此來預測人的命運。
說到底，人們骨子里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致，失去它們帶給你的珍貴的思想花火。人類沒有那么偉大，戰(zhàn)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，無論宇宙是否始于“大爆炸”、終于“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于解答“我們從何而來”、“我們去往何方”這樣的哲學命題，更在于驗證我們現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(fā)現(xiàn)，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
根據維基百科的定義，超新星是某些恒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(fā)的電磁輻射通常能夠照亮其所在的整個星系，并可持續(xù)幾周至幾個月才會逐漸衰減變?yōu)椴豢梢?。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]。由于Ia型超新星的亮度比較恒定，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(fā)現(xiàn)，當紅移z小于0.1的時候，哈勃定律成立；而在Ia型超新星的紅移z約等于1的情形下，紅移、速度、距離之間的線性關系就不成立，實際距離大于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
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致密的狀態(tài)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——是什么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(fā)布”，宇宙中的暗能量占74%，暗物質占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”并不重要（寫完這句話后，發(fā)現(xiàn)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”！
“宇宙大撕裂”理論最初由美國新罕布什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，大到恒星、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(tài)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(xiàn)在到宇宙終結所需要的時間：
其中，ω是狀態(tài)方程參數，H0是哈勃常數，Ωm是宇宙中所有物質的密度的現(xiàn)值。
在羅伯特·卡德威爾的例子里，ω=
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(xiàn)在的觀測數據做了模擬，得出在95.4%的置信區(qū)間下，宇宙從現(xiàn)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
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(guī)律，對現(xiàn)有觀測數據進行詳細分類、歸納與分析后，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”確實是難以想象的“天文數字”。暫且不看那么遠，也不考慮地球生態(tài)環(huán)境可能發(fā)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。在太陽剩余的50億年的燃燒里，我們留給后代的任務是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(fā)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(zhàn)勝重重劫難之后，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(zhí)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。
