宇宙加速膨胀的终极命运是什么？

何飞

刘慈欣为《太空将来时》写过一个序，我很喜欢它的题目，叫《走了三十億年，我们干吗来了》。

30亿年是地球上生命起源和进化的历史，从远古地球的浑浊海洋中诞生第一个可以自我复制的有机分子，然后经过30多亿年漫长而曲折的进化，到人类从20万年前走出非洲大陆，地球上终于出现了智慧文明的第一丝曙光。

大刘向人类提出了振聋发聩的问话：回首背后这条长得无法想象的路，现在已经是时候问自己一句：

走了30多亿年，我们到底干吗来了？

把30亿年放到宇宙的历史长河中，也仅仅是一瞬间而已。

我们生存的这个宇宙已经存在了约137亿年，大爆炸的火球创造了我们生存的这片时空。它也许是多重宇宙中的一个孤岛，也许是亘古无垠的黑暗与空无中的唯一绿洲。

宇宙洪炉的余烬淬炼出了生命和智慧，而人类的智慧透过那无尽的黑暗尘埃，现在已经能洞察宇宙演化的秘密：这是人类智慧的胜利，同时也是因为：

我们生活在宇宙纪年中一个最好的时代。

因为，这个时间刚刚好：沿着时间溯源而上，我们可以看到大爆炸的余辉，即宇宙的微波背景辐射；看向未来，我们能推测现在的宇宙加速膨胀的命运是什么。

现代宇宙学的“标准模型”，即宇宙的大爆炸理论，告诉我们，在大约137亿年前，一个原始火球横空出现于绝对的虚无之中。爱因斯坦的广义相对论彻底改变了我们的时空观念，时空是一种存在，而且是和物质相伴生的存在。换言之，物质不是存在于时空中，而是物质和时空互相影响互相依存。

所以，在大爆炸之前，不存在时空，大爆炸不是出现于“时空”中，而是出现在绝对的虚无中，并创造了时空。这有点类似于道家的“有生于无”的哲学观点。

有意思的是，弗里德曼根据爱因斯坦的广义相对论方程推导出了宇宙大爆炸的解，并指出我们整个宇宙一定还处在随后的膨胀中。爱因斯坦拒绝相信一个非静态的宇宙，并在他的方程中引入“宇宙学常数”来抵抗引力的作用，使宇宙能处于静态。

但是5年后，哈勃对几十个河外星系的观察，证实了我们的宇宙正在膨胀中（著名的哈勃空间望远镜就是为了纪念这位哈勃而命名的）。多年后，爱因斯坦承认宇宙学常数是他一生中最大的失误。但是，正如科学发现道路上的其他曲折一样，进一步的观测表明，也许爱因斯坦并没有错得那么离谱。这是后话。

这个原始大火球的温度，在爆炸后大约是我们太阳核心温度的10万亿倍。你无法想象这个温度，总之，温度高得连任何基本粒子都无法存在，整个宇宙以纯能量，即光辐射的形式存在着。

正是这个宇宙诞生之初的光辐射，使得今天我们能够直接验证大爆炸理论。当初的辐射经过137亿年的冷却（更准确的说法，是在宇宙膨胀中发生红移，使光的波长增长，能量降低，即俗称的冷却），已经处在微波辐射的范围。

1965年，贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯和威尔逊在调试微波天线的时候无意中发现并证实了宇宙的微波背景辐射，并和理论预测完全吻合，他们也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

1965年，贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯和威尔逊在调试微波天线的时候无意中发现并证实了宇宙的微波背景辐射，并和理论预测完全吻合，他们也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

这样的数字很难为我们常人理解。我们可以这样来看这个速度有多惊人：宇宙经过137亿年膨胀到今天的大小，绝大部分是在那个电光石火的一瞬间暴涨出来的。可见暴涨的速度有多惊人。

这里有一个小小的问题。对物理知识有所了解的同学会有疑问，任何物质的速度都不可能超过光速，这样的暴涨速度显然远远超出了光速，这和狭义相对论矛盾啊？其实，暴涨源于空间本身，而空间的膨胀并不受光速的限制。由于空间本身的膨胀，所有在空间中的物质和能量也跟着一起膨胀，但并不是它们的运动速度超过了光速，而是被空间“拽”着膨胀，好似在一个正在吹大的气球表面的卡通图案。

对于这个重大的科学论题，美国、欧盟和很多国家投入了很多资源来进行实验验证。

前有1990年美国发射的宇宙背景探索者（COBE），后有威尔金森微波各向异性探测器（WMAP），还有欧盟的普朗克太空飞船，以及安装在南极的第一到第三代BICEP射电望远镜。尽管对一些证据还存在争论，比如BICEP2探测到的微波背景辐射极性化的来源，但是已经有越来越多的证据支持宇宙演化的模型，包括来自“普朗克”的最新成果。

在科学界主流确立了宇宙膨胀的理论和实际观测（哈勃的观测）后，一个很自然的问题涌现出来：

宇宙未来的命运会是什么样的？

哈勃发现我们的宇宙正在膨胀，但是由于引力是宇宙中唯一已知的长距作用力（其他三种力：强力、弱力、电磁力，都是短距作用的），而且永远是吸引的，所以引力会逐渐地减慢宇宙膨胀的速度。

一个关键的问题是，宇宙中的物质总量是否足够多。或者说，我们宇宙的引力是否足够强大，能在遥远的未来使宇宙膨胀完全刹车，并逆转进程开始加速收缩？还是引力虽然能减慢宇宙膨胀的速度，但是不足以使它停止，于是宇宙将永远膨胀下去？（数学上其实细分为三种情况，包括临界膨胀，这里不予讨论。）

这是一个关乎我们宇宙终极命运的大问题。

20世纪90年代，两个拥有奇怪名字的科研小组，高-Z团队（即高红移量，红移量在天文学中可以作为天体距离远近的度量）和SCP团队（Supernova Cosmology Project，即超新星宇宙学项目小组），几乎同时开始了对有关宇宙的这个生死攸关问题的探索。

他们的方法几乎是一样的，即寻找宇宙中如朝露般转瞬即逝的超新星爆发（Ia类超新星。它们的光度会随时间有规律地变化，由此我们可以推算出该天体与我们的距离），并以它们为标准光源，计算不同星系的距离和红移速率（即膨胀的速率）。通过计算宇宙在不同时期的膨胀速率，推导出我们宇宙减速的快慢，从而得出宇宙最后将会是刹车收缩，还是继续膨胀下去。

1998年1月，两个赛跑的团队同时在美国天文学会的年会上公布了他们的研究结果：我们的宇宙正在加速膨胀！这和之前所有的预期都是背道而驰的，震惊了整个科学界。

是什么神秘的力量能和整个宇宙的引力对抗，使得我们的宇宙还在加速膨胀？对此，我们一无所知。

人类每一次对宇宙的了解更加深入一层，以为将要触摸到终极秘密的时候，无垠的宇宙就会和我们开一次小小的玩笑，用又一层神秘的黑纱阻断我们的视线。

对于这个神秘的和引力对抗的力量，我们称之为“暗能量”。因为到目前为止，我们完全不知道它的起源和本质（暗能量和暗物质是完全不同的概念）。有意思的是，这个暗能量和之前爱因斯坦引入的“宇宙学常数”有着异曲同工之妙，恰恰起到了抵抗引力的作用——也许爱因斯坦天才的洞察力和直觉再一次证明了自己？

宇宙加速膨胀的图像为未来的智慧生命勾勒出了一幅孤独的影像：

假如再过400亿年，宇宙继续加速膨胀，所有的星系都将狼奔豕突远离我们，宇宙盛世的遗迹早已四散星落，只剩下这一孤零零的星系。

那时，我们的夜空将暗淡无光，因为所有的星辰会和我们渐行渐远，亮星隐去光辉，暗星则无影无踪……

在那样的时空中，假如有一个智慧生命，仰望星空，凝视这深邃无边的黑暗渊薮，那该是多么绝望的情景啊！

既看不到宇宙过去的演变，也看不到未来的变化，甚至因为缺乏参照系，都感觉不到正处在一个膨胀的宇宙中。这样的智慧生命将完全无法解释宇宙是怎么来的，更无法如我们今天这样推测宇宙的规律和历史——他们生活在宇宙无边黑暗中漂浮着的一个孤岛上。

“前不见古人，后不见来者，念天地之悠悠，独怆然而泪下”，描述的大概就是这种感受吧。这样的智慧生命，生存在这样孤独的宇宙中，将会产生什么样的文化甚至宗教呢？

我们是幸运的。

我们生活在宇宙历史的这一时刻，能够用我们的智慧去探寻宇宙演化的秘密。在我们为生活碌碌奔忙的时候，不要忘了，偶尔，我们也可以抬头仰望星空，自由释放我们的心灵。

最后，以一首小诗来抒怀：

九月星河天火流，

人生亘古似蜉蝤。

今宵谁又骑黄鹤，

长夜独怀千岁忧。