中新網(wǎng)9月24日電 10年前天文學(xué)家震驚地發(fā)現(xiàn)宇宙正加速膨脹中。他們至今仍深入探討著這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的意涵。臺(tái)灣《科學(xué)人》雜志4月號(hào)刊文《宇宙的盡頭》，作了有關(guān)介紹。原文摘編如下：

　　重點(diǎn)提要

　　-10年前天文學(xué)家震驚地發(fā)現(xiàn)宇宙正加速膨脹中。他們至今仍深入探討著這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的意涵。

　　-不斷加速的膨脹終將導(dǎo)致星系以比光還快的速度彼此遠(yuǎn)離，消逝在我們的視線范圍外。此過(guò)程會(huì)毀滅我們賴以測(cè)量宇宙膨脹的參考點(diǎn)，徹底稀釋大霹靂所留下的特殊產(chǎn)物，使得宇宙看起來(lái)空無(wú)一物。簡(jiǎn)言之，所有宇宙起源的遺跡都會(huì)被摧毀，好像從未發(fā)生過(guò)大霹靂似的。

　　-對(duì)我們遙遠(yuǎn)的后代子孫而言，宇宙看起來(lái)像是個(gè)只散布著少許稀落恒星，并且一成不變、永無(wú)止境的空洞。

　　-有哪些知識(shí)已經(jīng)被宇宙給抹滅了呢？

　　100年前《Scientific American》刊載的一篇關(guān)于宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的文章，很可能是完全錯(cuò)誤的。1908年時(shí)，科學(xué)家認(rèn)為我們的星系構(gòu)成了整個(gè)宇宙，稱之為“島宇宙”，意思是我們的星團(tuán)被孤立在無(wú)窮無(wú)盡的空洞里。我們現(xiàn)在知道銀河系只是可觀測(cè)的宇宙所包含至少4000億個(gè)星系中的一員罷了。

　　1908年，科學(xué)上的共識(shí)認(rèn)為宇宙是靜態(tài)永恒的，根本沒有人知道宇宙竟會(huì)起源于一團(tuán)霹靂火球，也不曉得元素合成于大霹靂的最初時(shí)刻與恒星的內(nèi)部核心，而空間的膨脹與物質(zhì)可能導(dǎo)致空間彎曲，更是想都沒想過(guò)的事情。由于偵測(cè)到宇宙誕生并冷卻后殘留的鬼魅影像，才證實(shí)了空間中充滿輻射，而探究這些輻射所必須仰賴的科技，也是為了讓人打電話回家才發(fā)展出來(lái)。

　　在過(guò)去一世紀(jì)的各學(xué)識(shí)領(lǐng)域中，很難找到變動(dòng)比宇宙學(xué)還劇烈的，這些變動(dòng)也確實(shí)改變了我們的世界觀。但未來(lái)的科學(xué)是否總能在累積更多的觀察基礎(chǔ)后，獲得更精確的認(rèn)知呢？我們最近的研究結(jié)論認(rèn)為，從宇宙的時(shí)間尺度上來(lái)說(shuō)，答案是否定的。我們可能生存在宇宙極長(zhǎng)遠(yuǎn)的歷史中，唯一可以精確理解宇宙本質(zhì)的年代。

　　大約10年前的一個(gè)戲劇性發(fā)現(xiàn)，開啟了我們的研究動(dòng)機(jī)。兩群美國(guó)天文學(xué)家追蹤過(guò)去50億年間宇宙膨脹的情形，都發(fā)現(xiàn)宇宙似乎正在加速膨脹。一般認(rèn)為真空中的某種新型態(tài)“暗能量”是這種宇宙反重力現(xiàn)象的源頭。包括本文作者克勞斯在內(nèi)的某些理論學(xué)家，根據(jù)間接測(cè)量的數(shù)據(jù)，早已預(yù)測(cè)到這個(gè)結(jié)果，但在物理學(xué)中，只有直接的觀測(cè)才算數(shù)。加速的宇宙代表著，真空能量幾乎是我們今日所觀測(cè)到一切星系、星系團(tuán)與超星系團(tuán)等宇宙結(jié)構(gòu)所含能量的三倍。相當(dāng)諷刺的是，愛因斯坦為使宇宙保持靜止?fàn)顟B(tài)而首先提出這種型態(tài)的能量，他把那稱為宇宙常數(shù)。

　　暗能量對(duì)于宇宙的未來(lái)，具有極大的沖擊。克勞斯和美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的宇宙學(xué)家史達(dá)克曼(Glenn Starkman)一起研究了在一個(gè)具有宇宙常數(shù)的宇宙中，生命的可能命運(yùn)，他們得到的結(jié)論是：情況不妙，這樣的宇宙對(duì)生命而言是個(gè)非常不友善的環(huán)境。宇宙常數(shù)會(huì)造成一個(gè)固定大小的“事件視界”。那是個(gè)假想的曲面，一旦距離超過(guò)這個(gè)界限，不論物質(zhì)或輻射都無(wú)法抵達(dá)我們所在的位置。這種宇宙就像是個(gè)內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的黑洞，物質(zhì)與輻射被困在視界之外，而非視界之內(nèi)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)意味著可觀測(cè)的宇宙只包含有限的信息，因此無(wú)法永遠(yuǎn)不間斷地處理信息(與生命)。

　　但遠(yuǎn)在這個(gè)信息極限真正成為問題之前，膨脹宇宙中的所有物質(zhì)早已被驅(qū)趕到事件視界之外了。這個(gè)過(guò)程已被當(dāng)時(shí)同在美國(guó)哈佛大學(xué)的羅布(Abraham Loeb)與長(zhǎng)峰謙太郎研究過(guò)了，他們發(fā)現(xiàn)所謂的本地星系群(包含了銀河系、仙女座星系與一堆相互環(huán)繞的矮星系)將會(huì)崩塌成一個(gè)巨大無(wú)比的超級(jí)星團(tuán)，而所有其它的星系則將越過(guò)事件視界，完全消失無(wú)蹤。這個(gè)過(guò)程大概得花上1000億年之久，看來(lái)似乎很長(zhǎng)，但對(duì)渺無(wú)人煙的終極荒漠而言，其實(shí)蠻短暫的。

　　宇宙學(xué)的基石崩塌

　　在極遙遠(yuǎn)的未來(lái)，居住于此超級(jí)星團(tuán)中的天文學(xué)家將如何描述宇宙的歷史呢？要能夠好好地思考這個(gè)問題，必須先回顧一下我們目前對(duì)宇宙的理解是建立在哪些基礎(chǔ)之上。

　　首先是愛因斯坦的廣義相對(duì)論。牛頓的萬(wàn)有引力理論作為大部份天文學(xué)的基礎(chǔ)，已有將近300年的歷史，它非常適用于預(yù)測(cè)從地球到星系尺度范圍內(nèi)的天體運(yùn)動(dòng)，但對(duì)無(wú)限大量的物質(zhì)卻完全無(wú)能為力。廣義相對(duì)論克服了這個(gè)限制。在愛因斯坦于1916年發(fā)表他的理論后不久，荷蘭物理學(xué)家德西特(William de Sitter)研究一個(gè)包含了宇宙常數(shù)的簡(jiǎn)單宇宙，并得出該模型廣義相對(duì)論方程式的解，重現(xiàn)了當(dāng)時(shí)對(duì)于宇宙的主流觀點(diǎn)：一個(gè)鑲嵌于廣闊的空無(wú)與靜態(tài)空洞中的島星系。

　　宇宙學(xué)家很快就理解到德西特宣稱的靜態(tài)宇宙是個(gè)錯(cuò)誤的解讀。事實(shí)上，德西特的宇宙會(huì)永不停歇地膨脹，如同比利時(shí)物理學(xué)家勒梅特稍后的清楚解釋，愛因斯坦方程式所預(yù)測(cè)的無(wú)限、均勻且靜態(tài)的宇宙，根本不可能存在；宇宙一定會(huì)膨脹，或者收縮。后來(lái)的大霹靂理論，就是衍生自這個(gè)解釋。

　　現(xiàn)代宇宙學(xué)的第二個(gè)基礎(chǔ)，來(lái)自于天文學(xué)家在1920年代觀測(cè)到的宇宙膨脹。第一位提供宇宙膨脹觀測(cè)證據(jù)的人是美國(guó)天文學(xué)家斯里佛(Vesto Slipher)，他利用恒星光譜來(lái)測(cè)量鄰近星系的速度。當(dāng)恒星朝向地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，光波波長(zhǎng)會(huì)遭到壓縮而縮短，使得光色偏藍(lán)。當(dāng)發(fā)光體遠(yuǎn)離地球時(shí)，光波長(zhǎng)則會(huì)被拉扯變長(zhǎng)，使光色看起來(lái)偏紅。透過(guò)測(cè)量遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光波是被拉長(zhǎng)或壓短，斯里佛可以得知那些星系遠(yuǎn)離或接近我們的速度。(當(dāng)時(shí)天文學(xué)家尚不確定那些我們稱為“星系”的模糊發(fā)光區(qū)域，究竟是一些獨(dú)立的恒星聚在一起，或只是位在我們星系內(nèi)的云氣而已。)斯里佛發(fā)現(xiàn)大部份星系都離我們而去，我們似乎就坐在膨脹區(qū)域的中心。

　　真正被視為宇宙膨脹發(fā)現(xiàn)者的并非斯里佛，而是美國(guó)天文學(xué)家哈伯(你什么時(shí)候聽過(guò)斯里佛太空望遠(yuǎn)鏡的大名呢？)。哈伯不僅測(cè)定了鄰近星系的速度，也量得它們的距離。從他的測(cè)量數(shù)據(jù)推演出來(lái)的兩項(xiàng)結(jié)論，使他留名青史。首先，哈伯證明了那些星系離我們非常遠(yuǎn)，所以它們其實(shí)如銀河系一般是獨(dú)立恒星的聚集。其次，他發(fā)現(xiàn)星系遠(yuǎn)離我們的速度直接正比于它與我們的距離；離我們兩倍遠(yuǎn)的星系之速度，是離我們一倍遠(yuǎn)的星系速度的兩倍，這正是宇宙膨脹呈現(xiàn)出來(lái)的效應(yīng)。自那時(shí)起，哈伯的測(cè)量便不斷被重新修訂。最近的一次是透過(guò)觀測(cè)遙遠(yuǎn)的超新星的方式，該項(xiàng)觀測(cè)讓我們發(fā)現(xiàn)暗能量。

　　第三個(gè)基礎(chǔ)是微弱發(fā)光的宇宙微波背景輻射，那是1965年貝爾實(shí)驗(yàn)室的潘琪亞斯(Arno Penzias)與威爾遜(Robert Wilson)在追溯無(wú)線電波噪聲原因時(shí)，無(wú)意間發(fā)現(xiàn)的。這種輻射很快地被確認(rèn)是宇宙膨脹的早期階段所遺留下來(lái)的，它代表宇宙剛開始是處于高熱致密的狀態(tài)，然后因膨脹而冷卻、變得稀薄。

　　最后一個(gè)大霹靂的觀測(cè)基礎(chǔ)是，高熱致密的早期宇宙是發(fā)生核融合的理想處所。當(dāng)宇宙的溫度到達(dá)絕對(duì)溫度10億至100億K時(shí)，較輕的原子核會(huì)融合成較重的原子核，此過(guò)程稱為大霹靂核合成作用。由于宇宙因膨脹而冷卻，這個(gè)過(guò)程只會(huì)發(fā)生在最初的數(shù)分鐘內(nèi)，所以核融合只能產(chǎn)生最輕的幾種元素。宇宙中大多數(shù)的氦是在那時(shí)產(chǎn)生的，氘與重氫也是。目前測(cè)得的氦與氘之豐度，符合大霹靂核合成作用的預(yù)期，成為大霹靂理論的左證，也讓我們能夠精確地量測(cè)宇宙間質(zhì)子與中子的豐度。(作者：克勞斯、薛瑞；李沃龍譯)