【转帖】宇宙将走向哪里

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宇宙将走向哪里

时间：2005-2-22

演讲人：李竞(中科院天文台研究员)

2003年12月下旬，美国的著名期刊《科学》science，根据它的惯例要评出当年的十大科学进展，而这十大科学进展，它还有一定的顺序，就是把认为最重要的搁在第一位，这个第一位，就是2003年的十大科学进展的第一位是什么呢？就是确认我们的宇宙中有暗能量。暗能量现在这么称呼了，这个是不是国家规范的名词呢，我不敢说，它就是dark energy。什么是dark energy呢？现在还搞不清，只知道它是一个斥力性质的物理量。到了2004年1月份，我国公布了中国科学院和中国工程院两院院士评出来的十大科学进展，也有这一项，就是暗能量的发现。那么我今天就要讲讲暗能量是怎么回事。

　　我们都知道，不管你学过矛盾论没学过，都知道一个科学常识，有正的、有负的、有阴的、有阳的、有正电就有负电，偶极磁场是有南极和北极，负电子带的负电，正子带的正电，可惟独在宇宙中只有引力没有斥力，只有万有引力，你们学过物理的，听说过万有斥力吗？为什么？或者说不为什么，宇宙就是这样子。是不是没有和引力相反的作用力呢。一直到20世纪末都没有发现，也没有通过天体观察来显现出来有和引力相反的作用力。因此在2003年确认了宇宙中充斥着与引力相反的斥力性质，在近处看不见，也摸不着的这样的一个物理量的存在就变成了重大的事情。它怎么重大呢？由于有了它的存在，它是和引力正相反的一个作用力，而我们的宇宙在20世纪已经确认了它是在膨胀中。膨胀的来源，我们今天要讲，是来源于一个偶然的事件，也许是必然的事件，就是一次大爆炸。这个大爆炸的力量是斥力量，与引力正相反的。而现在发现了在加速，就是不仅有大爆炸往外的膨胀力量，还有一个力量使它加速，加速的结果，就意味着我们这宇宙的命运就是越来越膨胀，收不住。看来现在的结论，就是我们现在的年龄是137亿年。根据现有的观测资料，大概再过300亿年，还保持着加速，是不是再往后，又如何呢？还得进一步地去观察，进一步地研究。这些已经有计划了，已经排在日程上了，也很可能要继续膨胀下去，加速膨胀下去。大概在1000亿年，到那个时候，我们的宇宙已经虚无缥缈，四大皆空，因为所有的能量都用完了，发光天体再也不会发光了，物质还存在着，但是辐射能已经没有了。这个描述得好像太可怕了，不过这还早着呢。所以这点完全不必太操心。

　　在讲今天的话题之前，我愿意告诉大家，在20世纪有人做过一些公开的，在科技界圈子内做过一些民意测验，这民意测验是什么呢？问对天文感兴趣的一些科学家，叫你评一评，你认为20世纪天文中最重大的进展是什么，只许选一项，不要一，二，三。还有你认为，20世纪最重要的天文学家是谁？只选一人，百分之百的票，投中了最伟大的天文学家是哈勃，没有选其他人的。最重大的天文学成就一项，就是我们的宇宙是动态的宇宙，是演化的宇宙。为什么这样子？我们看一看，在此之前我们怎么认识的。直到20世纪初，运用牛顿力学考察大尺度空间，得到的结论都是，我们的宇宙无论是时间还是空间都是永恒的，无穷无尽的，无始无终的，没有起源，没有开端，也没有终了。而这个是科学结论，是你根据天文的实测，你对周围的事物研究所得到的参数，然后用牛顿力学分析得到的结论。这个结论不仅是广大的公众普遍接受，科学界也普遍接受。恩格斯就把它写进了自然辩证法。因此认为我们的宇宙是无始无终，无穷无尽的，几乎是天经地义。

　　有一个天文学家叫斯里弗，他就用手边的一个不错的望远镜，还有一个威力相当强大的光谱仪，他来考察那些不是星的星云状的天体，拍照出它的光谱，希望测量出来它的空间运动。他经过了近十年的努力，成功地取得了46个星云的光谱，这真是不容易的创举。然后他就在实验室分析了光谱谱线的位移，然后把位移的量换算成为运动速度，他得到的结果不仅使他大吃一惊，也使干这行的天文学家都充满了问号，满头是问号。因为他得到的结果可不是大家熟悉的那个二、三十公里/秒，三、四十公里/秒，而得到最少的也是400公里/秒，500公里/秒，600公里/秒，上千公里/秒。一个天体和地球做相对运动，400公里/秒，500公里/秒，上千公里/秒，这根本不可理解。他发表了文章之后，首先很多人认为，干脆你是外行，你测得不对。所以斯里弗最早的一些文章是受到大家的讥笑。别人测出来的恒星运动速度都是几十公里/秒，你一测出来几百公里/秒、上千公里/秒，显然是一个荒唐的事儿。但是随着他发表了更多的后续文章，看来这个趋势是没有例外的，而且是一个什么现象呢？是越暗的星云，它的运动速度越大，这是一个。第二个现象更出乎意料的，就是所有的这些星云的谱线的位移统统是往红端位移，只有两个例外的是往紫端位移的。那么就是说所有这些星云，如果认为反映的是多普勒效应的话，那都是四向远离我们而去，这就是二十世纪头十年斯里弗开场性的观察所发现结果。

　　1929年一个美国天文学家叫哈勃，他就用了大型望远镜来估算斯里弗测量出谱线红移的46个星云的距离，这个很难做，因为距离太远了，都用的是间接方法，这就是哈勃的本事了。他用人家量出来的运动速度，用他自己估算出来的这些星云的距离，用这两个参数，一个是星云的距离，这是重要的距离，一个是这些星云离我们远去的运动速度，它用这两组数据，这两个参数来得到了这样一个关系式，横坐标是哈勃估算出来的距离，他得到了一个离我们越远的星云退行的速度越大的结果，它们呈线性关系，这个就被称之为哈勃定律。刚才看的是哈勃自己做出来的线性关系，自从他1929年确认了这个线性关系之后，哈勃一直到死，主要就做一件事情，继续延长这条线，看一看是否还是线性，如果偏离了线性，那就有两种可能，如果往下弯，表明膨胀的速度减慢，如果是往上弯，表明速度加快。哈勃从1929年跟他的同事继续延长这条线，一直到他去世，这条线还是线性的。他的学生继续延长它，一直到50亿光年这样的范围之内，这条线还是直线，就表明我们宇宙的膨胀是速度均匀的膨胀。

　　1927年比利时的一个天文学家勒梅特，他写一篇博士论文。他也是独立地去用广义相对论考察宇宙。这个人得到了一个不仅是动态的宇宙，而且在现阶段，我们的宇宙在膨胀，非常明确。

　　又过了将近二十年，到了1946年，美国一个天体物理学家叫伽莫夫，他做了一件事情，他提出来的宇宙起源的大爆炸学说非常有创造性。他在研究我们的宇宙为什么会四向膨胀，四向膨胀是观察到的，所有的星系都是四向膨胀。为什么会膨胀？他把两件事情结合起来。一件事情是现在我们观察到的，我们的宇宙在膨胀，所有的星系都在四向膨胀。在天文中还有一个谜没有解，这个谜是什么呢？就是关于元素的丰度，这是怎么回事呢？天文学家都知道，在宇宙中元素的分布普遍性的是什么呢？如果用粒子数来说，90%是氢，10%是氦，其他所有的元素都不足1%。如果用质量来说，75%是氢，25%是氦，其他的所有不足1%。为什么这样子？不知道。如果用恒星演化来说，不行。恒星演化，譬如拿我们太阳来说，我们的太阳就是内部氢聚变成为氦，然后在聚变中，氦又变成了更重的元素。而我们宇宙的年龄是有限的，在已知的这个年龄中产出不了那么多的氦，所以宇宙中的氦还有另外的起源，就是应该说宇宙一诞生，就有粒子数的10%是氦，或者质量上25%是氦，为什么会这样？不知道。所以伽莫夫是把这两件事情搁在一起，来解这个课题。他认为要想出现原始的丰度，按照粒子数来说90%是氢，10%是氦，那么最开始是应该在非常高的密度，非常大的质量，空间占得非常小，温度非常之高作为一个起点，在那个起点突然间一爆炸，这个爆炸的力量就是我们看到的星系四向膨胀。而在那一瞬间，宇宙中诞生的就是90%是氢，10%是氦，他做了这么一个理论计算。

　　这个学说发表之后，引起了一片哗然。其中有一个大天文学家，这个大天文学家在2001年才去世，是英国的一个大天文学家叫霍伊尔。霍伊尔坚决反对大爆炸学说。他在这边听到了大洋彼岸有一个所谓的αβγ学说之后，他就说了，我们的宇宙难道说就是这样“乒、乓”就炸出来的。他说这不简直是“Big Bang”吗，他完全是讽刺的，贬义的。什么αβγ学说？说“Big Bang”是胡说八道，结果在BBC广播电台中，一通冷嘲热讽之后，那边的伽莫夫听见了，伽莫夫说“Big Bang”不错嘛，名字不错嘛，就叫它吧。结果一个贬义的，讽刺的，一个讥笑的、谩骂语言，最后变成了这个学说正式的名字，一直沿用到今天。

　　这个αβγ学说发表之后，又过了一年多将近两年，这时候伽莫夫又干别的事去了。他的学生和助手阿尔法还想继续干下去，就又找了一个当时找不着课题的博士后，这个人叫赫尔曼，这俩年轻小伙子现在可能都健在，他们两个人继续干，就把伽莫夫的学说，就是αβγ学说继续往下延伸，他们延伸之后就得到了一个重要结论，这个重要结论是一个预言。他说当年的一个极高的温度，极大的密度，非常大的压力作为起点，这个高温、高压的火球，在大爆炸之后，到今天余烬还有一定的热度。根据他们算出来的是5K。后来随着科学的进展，把运算中的参数改一改，更近代化一些。比如说电子的质量，参数改成更新的，更确切的数据之后，这个5K就变成了3K。他们两个人说，这个当年的那一锅热汤到了今天充斥在宇宙中，还剩下3K的余温。这3K的余温应该是各向同性，在哪儿都充斥着3K的余温，再往后还将变成了2K，1K，最后寂静下来。但是今天是3K，就是-270℃。这就是1948年伽莫夫的两个学生在继续他老师的工作得到的一个重要的预言，这个预言在当时是无法验证的。

　　大家都知道，天文学家可以做出许许多多美妙的预言，美妙的理论。但是要想把这些美妙的学说变成了科学结论必须得到天文验证。那么对于阿尔法和赫尔曼的预言，天文学家并不兴高采烈，因为3K，当时的技术是无法测量的。但是到了1965年，两个贝尔实验室的无线电工程师，彭齐亚斯和威尔逊，他们做了一个非常精密的辐射探测器，他们做一个什么题目呢？做一个就是当时在20世纪60年代的时候，美国已经发射了一些空间探测器，就是如何使这些探测器飞到很远的地方，还能跟地面取得很好的通讯联系。他们两个人在研究，如何使这个仪器接收遥远的微弱信号，还能把数据记录下来。他们两个就做这个题目。结果他们探测来，探测去，就总有一个噪音无法消除。他们排除了一切周围的干扰，一切可能有的噪音。他们确信，他们的仪器中没有混进他们已知的任何人为的环境造成的噪音。他们认为，他们探测到的，消除不了的噪音是客观存在的，而且这个消除不了的微波噪音，在微波波段十几厘处，它肯定是宇宙中固有的。他们得到的这个噪音要换算成为热温度，是黑体辐射3K。在1965年他们终于把十多年前，将近二十年前阿尔法和赫尔曼预言的3K背景辐射找到了。这两个人，彭齐亚斯和威尔逊得了诺贝尔奖。这幅图就是艺术家在描述伽莫夫预言最开始的一瞬间，大爆炸极高的温度，极大的压力，到现在今日形成这样的哈勃称之为星云。现在把他它已经称为星系的天体，四向膨胀。

　　那么现在要问了，我们宇宙向何处去。我们都知道，就是在20世纪末，一切关于谈宇宙的书籍都会提到，说我们的宇宙今后可能有三种命运：一种命运，引力最终占上风。由于物质足够得多，最后引力克服四向膨胀的力量，宇宙不再膨胀。宇宙不再膨胀之后，当引力占上风，占一点点上风的时候，就开始收缩，我们的宇宙就开始大收缩，这是第一种。第二种可能就是一直膨胀下去，按照哈勃的线性关系，无穷无尽地一直膨胀下去。第三种它可能膨胀之后又收缩，收缩之后又膨胀，变成反复的脉动。你们去看，凡是2000年前出的一切天文书都预言我们宇宙的命运可能有这三种类型。可是今天我们已经知道了，已经比较明确地知道了，我们的命运只有一种，加速膨胀。

　　要想叫它终止膨胀，就是我们宇宙总物质的平均密度必须得达到这样一个量级，才能最终战胜膨胀的力量，终止膨胀。可是现在看见的是这个值，要想终止膨胀是10－31克/立方厘米，可是现在测定的平均密度值是10－33克/立方厘米，差了两个量级，膨胀收不住。但是这个值对不对呢？这个值是怎么测出来的呢？是这样测定的。一直到了20世纪60～70年代，天文学家还普遍地认为，宇宙中的物质主要的表现形式是恒星，就是宇宙的物质主要都存在恒星上。因此你把宇宙中所有的恒星加在一起，这就是宇宙的总质量。但是后来知道，在宇宙中还有看不见的，但是从引力上能表现出来它们存在的，然后就把这类看不见的物质冠上一个普通名词，因为没有办法，用了普通名词来描述它，叫做暗物质。大家注意，我可没说反物质，我说的是暗物质。暗物质就是dark matter 的直译，dark matter是包括了行星，包括了黑洞，凡是你看不见的，探测不出来的，但是它存在着的，还有那些遥远的小星系，因为你也看不见。所以暗物质是在上个世纪七、八十年代之后一个热门的探测对象，找暗物质。但是暗物质找来找去，暗物质的量也不足以达到这个10－31克/立方厘米，就是在这儿再加上一些暗物质，也达不到这个量。

　　那么我们的宇宙是不是就一直膨胀下去呢？大家认为，可能还有你不知道的暗物质。就在这个时候，天文学家在这里关心另外一件事情，就是根据引力作用来估量出来的发光天体，和其他有关的天体，包括星云等等都在内的，只占15%，而其他的暗物质应该占85%，但是现在已知的暗物质就凑不足这个数，凑不出85%来，天文学家就很彷徨，很彷徨的时候，天文学家在解决另外一个问题。这个问题是什么呢？就是希望能回答，我们的宇宙大爆炸事件之后，在宇宙中的物质分布是极端地均匀，一锅热汤，这一锅热汤怎么会就变成今日观察到的物质分布得极端不均匀，怎么回事。

　　在20世纪80年代，曾有天文学家提出了一个假说。假如在大爆炸那个事件开始之后，在一个极短瞬间，突然间有一个加速膨胀的阶段，这个加速膨胀的阶段非常短暂，短于一秒钟，它甚至于可以超光速，因为它不是天体，是一个群速度。如果有那么一个阶段，这个阶段被称之为“暴胀”阶段，这“暴胀”就是通货膨胀那个字，“inflation”。如果有那么一个阶段，那就是变成了一个微弱的扰动，有那么个微弱的扰动，就会形成今日的物质极端不均匀，这就解释了今天的星系怎么会形成。但是这是一个假说，这个“暴胀”阶段是不是有呢？如果有“暴胀”阶段，今日观察到的3K背景辐射就应该有一定程度上的各向异性。而在20多年前，观察到的背景辐射都是各向同性，非常均匀的3K。那么在20世纪80年代末，天文学家曾创造了一种特别灵敏的仪器，这个特别灵敏仪器搁在卫星上，上天之后很快就下来数据了，果然量出来的，有千分之一的各向异性。这证明什么呢？那个“暴胀”阶段是存在着的。因为只要是有“暴胀”阶段，就会出现各向异性。各向异性果然探测出来了。这是个伟大的成就，这件成就也写入了《科学》杂志当年的十大进展之一。

　　又过了一些年，大家还希望能够进一步了解宇宙命运问题。在这里有几组天文学家做着完全不同类型的探索。咱们先说第一种。哈勃空间望远镜升天了，1990年发射的。升天之后，他们就申请了一个项目，来探测50亿光年之外的暗天体，50亿光年之外探测什么暗天体，去找50亿光年以及更遥远的超新星。超新星一爆炸，它的光度可以跟一个星系的总光度相比美。他们申请到了观测时间，就叫哈勃空间望远镜去搜索某些指定天区。去给它录像，当然是用数码相机了。然后把这个天区的图像存在计算机中，过两天，再拍它，再拍这个天区。第二次得到的图像又传回地球，和计算机储存的前一天的那个图像对比。结果发现观测到的所有80亿光年以外的超新星的实际距离都比用哈勃定律算出来的更远。1998年的这项发现震惊了世界，得到了当年《科学》杂志十大科学进展之一。通过遥远宇宙的超新星观察，发现我们的宇宙膨胀在加速。这就是上世纪末的一个重大发现。这个工作还继续做，不仅继续做，而且还希望观测100亿光年之外的超新星。现在正设计，正在研制，正在筹款做更大的望远镜，专门到大气之外去，当然比哈勃望远镜还要大的望远镜，到天上去，去搜寻更遥远的超新星，进一步探索宇宙膨胀加速之谜。

　　这样到了上个世纪末，天文学家已经知道了，原来我们的宇宙膨胀在加速。这是不是局部的情况呢？还是整体都如此呢？为此，应该进行类似于90年代那个COBE探测器，就是背景辐射的起伏是不是各向同性的工作。在1998年一个科学家小组，用一个毫米波探测器，把这个探测器搁在气球上，在南极地区叫它升空。为什么搁在南极地区上空呢？因为它升空以后，在南极地区跟北极地区都有这样的情况，就是有长夜，日不出，北极是白昼的时候，南极是长夜，连续半年都没有太阳，就没有了一个辐射干扰源。探测的结果再一次肯定“暴胀”确实存在。这是上世纪末，2000年的《科学》杂志的十大进展之一。

　　2001年另外一个科学家小组在做微波背景辐射，就跟COBE类似，但灵敏度高得多。到了2003年初，公布了探测结果。这个结果是什么呢？根据它的起伏情况，可以肯定，它的起伏情况表明我们宇宙的几何特征是一个平直的。最后的结论就是我们的宇宙一直膨胀下去，而且是加速膨胀下去。

　　除了这三项实验工作之外，在同时进行的还有一个，另外一项长期的观测宇宙学的工作。这个工作是用光纤去做遥远星系的三维数据，就取得遥远星系的距离和它们的位置。根据这项研究所得出来的初步结论，就是看到了遥远的早期宇宙的物质分布情况。这个结论就是我们的宇宙从大爆炸到现在是137亿年，也就是说我们的宇宙的年龄是137亿年，其中发光天体包括我们太阳在内占4%，暗物质占23％，暗能量占73%，这就是一幅今天我们宇宙的图像，用这么4个数字来描述，一，年龄是137亿年，我们的宇宙大小就是137亿光年，然后里边的物质4%是可见天体， 23％是看不见的，引力效应表示其存在的暗物质，73%是暗能量，这dark energy是斥力性质的，本源不清楚，有待于今后进一步深入研究。而现在看来，这个dark energy不是一个变量，至少在300亿年的时间内不是一个变量。在更大的时空上还是不是继续为不变量，还不知道。因此在可见的未来，在300亿年期间内会是一直按照现在这样的一直加速膨胀下去。这就是今天我们要谈得，我们的膨胀宇宙在加速膨胀，谢谢大家。