这是一个好消息,宇宙将不会在一个灾难性的大挤压中结束;但这也是一个坏消息,因为暗藏着一个更可怕的命运。

1997年3月5日夜,智利美洲天文台的大型望远镜截获了来自宇宙的一条信息,它发自地球出现前的10亿年,其内容具有真实的宇宙学意义。这一飞过半个宇宙的信息已被完全读出。为破译它,一个国际专家小组花了几个月的时间。1998年1月,加州洛伦斯伯克利实验室的珀尔马特(S. Perlmutter)和其同事,向全世界揭示了这一信息的要旨:宇宙将永无终结。

一个月后,施米特(B. Schmidt)领导的小组,在澳大利亚发表了有关这一宇宙信函中的更多内容,它作为甚远星系中的超新星爆发的光暴来到地球,这一信息也跟前一次的相同。现在,剑桥哈佛 • 史密逊天体物理中心的科克纳克(C. Kochneck)公布了这方面的更多证据,它们暗含在被暗星系所弯曲的光中。

这三组宇宙信函皆暗示出,我们的宇宙将不是塌缩在一个大挤压之中,而是永远膨胀下去;这并非是事情的全部,它们还暗示出,这个膨胀着的宇宙被某种神秘的力量(反引力)所支配,这个力弥漫于整个宇宙,它完全暴出于虚无之中。

关于宇宙的最终命运是简单的,但其详情却极复杂。把一个球向空中掷去,引力将使它慢下来,并停止向上运动,最终掉在地上;若你使劲掷球(如使用火箭),球将进入太空,并永远在那里奔跑。

对宇宙来说也是如此。若它拥有足够的物质,引力将使膨胀放慢、停止,并最终使其逆转,产生一个灾难性的大挤压;但若宇宙所含物质太少,或者有某种外加的“魅力”在起作用,那么宇宙将永远膨胀下去。

故宇宙的命运取决于它含有多少物质?若物质密度足够地大,这将使宇宙膨胀走向终止;若密度太低,那么宇宙将战胜引力。宇宙学家把宇宙的实际密度与临界密度之比,称之Ω,天文界花了几十年的时光,企图测定这个Ω值,看它是小于或大于或等于1?

但还有一件比宇宙命运还重要的事。若Ω正好是1,那将是有关宇宙起源的现行理论的一个胜利。按此说,宇宙刚诞生后,即被“暴胀”而扩大,像个巨大的气球,进而得出预言:正像一个巨大气球的表面,当宇宙因暴胀而急速膨胀时,空间应变得较少弯曲,且现在看上去应是平直的。爱因斯坦的引力理论,把空间曲率跟宇宙中的物质联系起来,并得出一个平直宇宙的结论。他的理论表明,Ω应正好为1。

由于宇宙的命运和这些理论皆取决于Ω值,故天文学家尽了最大的努力去探测宇宙中的物质量。一个明显的办法,是把能见到的所有天体都加起来,但错了。对星系团引力效应的研究表明,在宇宙中至少存有10倍于发光天体质量的暗物质,但是即使把所有这些暗物质都放入方程,仍不能使理论家感到满意。虽然寻遍了宇宙的角落,仍是未能找到Ω=1所需的物质量。

为何对超新星的测量结果如此令人兴奋呢?原来,天文学家可利用甚远超新星来测量宇宙(膨胀)自大爆炸以来所放慢的程度,进而了解引力(也即物质)有多大。当一颗星球以超新星爆发终其一生时,其爆炸的亮度取决于物理学的尝试和试验(tried and tested)定律。这样,使得天文学家的一个梦想成真,使它们获得了一个标准“烛光”,因为超新星的亮度仅随(离地球)距离而变暗,故测定了遥远超新星的表观亮度,天文学家就能推算出它离地球有多远?

这一距离为探测宇宙膨胀是否加速或减速提供了一种量度。若膨胀在减速,来自超新星的光所走的路程,应小于(膨胀)加速时的路程。这个结论较复杂,而其基本思想却简明。超新星的光所穿越的距离越短,它看上去也越明亮。哈佛-史密逊天体物理中心的柯申(R. Kirehner)说,“我们测量超新星的表观亮度,看看它比预期(膨胀率不变)的更亮?还是更暗?”

据此,超新星小组破译了这一宇宙信息。在1997年3月的那个夜间,智利美洲天文台的4米望远镜观测到了比肉眼能见度暗1000万倍的一颗超新星,它大概处在地球至可见宇宙边缘一半的距离上。

这一信息令人十分吃惊。珀尔马特等在《自然》杂志上报告说,他们测得的宇宙膨胀不是在减速而是在加速。宇宙不仅没有足够的物质使膨胀放慢并逐渐停止(就像Ω=1时,人们所期望的那样),似乎还有一种外在的力在加快膨胀。这对现行的早期宇宙理论不能不说是一个坏消息,该理论预言宇宙是平直的,而Ω值必须精确地等于1,故膨胀不该被加快。

人们希望在1月召开的美国天文学学会的年会上,珀尔马特等的报告是被少数没有代表性的超新星事例所误导的,但珀尔马特说:“我们现在分析了已发现的65个超新星事例中的40个,这些数据依然表明,Ω值远小于1。”

几个星期后,施米特传来了更坏的消息,他们研究了14个甚远超新星,给出了同样的回答。很明显,现行理论似乎缺失了什么东西,最可能的是一种奇怪的力(量子论所提出),它弥漫于整个宇宙空间。理论家称它为宇宙学常数,或简称λ。这个力出自虚粒子(它们不停地、快速地出没于空间)。而λ正表达了这一特性,为宇宙膨胀的加速提供了所需的“鬼魅之力”。更妙的是,将λ跟Ω相结合,就能保证现行理论所要求的平直空间,而最重要的一点是Ω+λ=1。

这听起来很完美,但许多理论家对λ却泄气。其中一个理由是,他们分享了爱因斯坦为其宇宙学方程加了一个不明确的常数λ(他说λ是“他一生中犯的最大错误)而感到的懊丧;其二,所有试图用量子论去计算λ值的人,都取得了大得荒唐的值,或者,得出无限多个值。

尽管有这些坏情绪,宇宙学家必须学会跟λ相处。一些人开始用所谓引力透镜现象去测量λ值。当遥远星系的光穿过其他星系到达地球时,中间星系的引力弯曲了路过的光线,这样就形成了遥远星系的多重像(即引力透镜像),且能为地基望远镜所观察到。利用爱因斯坦的引力理论可估算出,能在夜空中看到多少这种像?

若确有λ,那么其反引力效应势必伸展空间的容积,这将提高弯曲星光星系(处在遥远类星体和我们之间)数目的机会。这就是说,有λ要比无λ(的情况)具有更多的透镜现象事例。科克纳克利用透镜效应,已对λ值的大小给出了一个界限。1994年科氏小组宣称,他们对一些类星体的测量,揭露出有6个引力透镜,它们形成的看来都是引力透镜像。把这个数目跟不存在λ的相比,研究者得出了λ值的上限——0.7。

自此以来,科氏小组一直在完善这组数据(值)和可靠性。有一点令人担心,天文学家有可能疏忽了许多类星体,因为“测量往往根据(星光)颜色,而类星体的透镜像易被透镜星系的光和尘粒效应所污染。”

为了检验这种效应又避开这一污染,科氏小组另辟新径,他们检查了那些辐射被弯曲成多重源(看上去像条光弧)的射电星系目录,这种现象是被中间星系的引力造成的。科氏说,“射电波不受尘粒影响,因其波长的长度要比尘粒大得多。”

检查结果表明,对透镜类星体像的测量是十分可靠的。射电星系的测量结果也给出了上限为0.7的λ值,这样,Ω值的下限在0.3左右。这两个数字都跟超新星的观测结果相吻合,它们之和正好为1。

现在理论家松了一口气,因为λ和Ω的结合,既保证了宇宙的永远膨胀,又有一个平直的空间。很幸运,有一系列独立的证据暗示出,宇宙的伟大设计确实是简洁而美。由德国马克斯普朗克天体物理研究所的巴特曼(M. Bartelmann)领导的一个国际小组,研制出一种对λ和Ω结合效应十分敏感的测量手段。

它能从宇宙早期星系团的形成上测出这种效应。数学模型表明,星系团的形成对Ω值的大小很敏感。粗略地说,值越大,成团所需的时间越长,这意味着若是一个高Ω值的宇宙,相对来说星系团较少,因而被其引力所弯曲的遥远星(系)光而成的光弧,势必数目减少。

但λ值对我们看到的透镜像的数目也有影响。λ值越大,星系团将越少,那么我们看到的光弧也就越少。故计算透镜像并跟理论预测值相比较,他们认为应能获得和λ的值。

—个小组使用超级计算机,以不同的Ω和λ值的组合,来估算可能看到的透镜像(数目)。由于每种模拟都需要大量的计算,故巴特曼等只作了3对组合的运算。他们欣慰地看到,每对组合都产生了很不相同的结果,说明这样(组合)的模拟确很敏感。

例如,设定λ=0、Ω=1,在这样的宇宙中,透镜像只有几十个;若把Ω值降到0.3,透镜像的数目将增大70?2400倍。

那么,什么样的组合最适于我们宇宙呢?巴特曼说:“还没有人对光弧作过全天扫描,故我们只好外推出全天存在的数目。”“外推出的数目在1500-2400之间,据我们的模型,这个数目接近于一个具有Ω=0.3、λ=0.7的宇宙。”

这对所有的小Ω和λ又未大到1的组合来说,似乎是一个坏消息。巴氏强调说,这些数字的精确性不能太夸张,因为模拟所作的巨大计算量,迫使他们只作了3对组合(Ω+λ),“若你欲挽救λ,我想最好是使Ω较小,譬如0.2左右,而λ在0.8左右。”

不同(值)组合(Ω+λ)模拟的敏感性,为其他研究者所关注。但巴氏说,这里还存有误差源,具体地说,若每个星系的透镜效应形成的呈系团效应被忽视,而“它们使得团的透镜效应更为有效(比我们模型),它们将允许一个大Ω值,但不致大到1。”

故实际的信息内容,看来跟现在从超新星、类星体所得的测量(即Ω=0.3、λ=0.7)相同。宇宙将永远膨胀下去,并证明是平直的。看来大挤压的思想已成过去,但Ω和λ的确切值,以及宇宙学家的各种理论,仍然有待选定。美国航空航天局(NASA)的“微波各向异性探测器”和欧洲空间局的“PLANCK”探测器都将发射升空。这些探测器将利用宇宙大爆炸的余热,来测定Ω和λ值。故这些值可能在下个世纪初被最终确定。

即使宇宙能永存,但其居民却没有这么幸运,1万亿年后,所有的星球都将耗尽其燃料而灭亡,在那永恒的夜间偶尔还能看到一丝闪光,这是垂死恒星塌缩成黑洞时发出的光(即所谓霍金辐射)。即使是黑洞,它们最终也将在辐射暴中蒸发掉;再过10122年,即使最大的黑洞也将消失,宇宙将在寂静中渡过难以想象的1000000000026年。据量子论预言,此时的铁原子(最稳定的元素)将通过隧穿效应而消失在微黑洞之中,而后者渐即在霍金辐射中消逝。宇宙可能始于光辐射,而终于什么也没有的黑暗之中。

 [New Scientist,1998年4月11日]