100年以前,当阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)开启宇宙学大门之时,宇宙看起来还是一个极其简单而宁静的地方。当时人们普遍认为:宇宙中只有一座由恒星和星云构成的岛屿——银河系,而银河系之外则是无尽的黑暗。
令人高兴的是,我们比那时的人们聪明了许多——我们所了解的宇宙空间中布满了星系,而这些星系在大爆炸的驱使下彼此远离。
尽情地沐浴在你目前所处的知识海洋中吧。根据一篇研究论文报道,我们的子孙后代,无论他们是谁或者生活在哪里,可能永远无法了解大爆炸和膨胀宇宙。
美国华盛顿天主教大学的劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)和范德堡大学的罗伯特·谢勒(Robert J.Scherrer)计算发现:如果宇宙的演化以现有的形式持续发展下去的话,1000亿年后,天空中的可见星系大约只剩下6个,也就是被引力束缚在一起的本星系群【本星系群是以银河系为中心,半径约为百万秒差距(300多万光年)的空间内的星系之总称。也有人把本星系群的中心定义为银河系和仙女星系(M31)的公共重心。目前已知本星系群的成员星系和可能的成员星系有40个左右】。
本星系群不会随着宇宙一起膨胀,相反会并合为一体。
如果无法看到任何星系在远离我们,那么天文学家将无法了解到宇宙的膨胀,相反认为他们重新回到了爱因斯坦的静态岛宇宙之中。就像这两位物理学家在《相对论和引力》杂志中写道的:“在‘岛宇宙’中的观测者将根本无法确定宇宙的真实属性。”
这很难说是一个令人一筹莫展的情况。忘记人类最终的命运以及人类已完成或者未完成的每件事情吧。如果你处在某个科学幻想的年代,宇宙演化或许对你是一个模糊的概念,但宇宙本身正逐渐变得清晰和明了。在一些领域,现代宇宙学已达到顶峰。然而,当人类接二连三地把宇宙学推向顶峰的同时,让人难以接受的却是:在这之后,宇宙学又将重新回到原地,并丧失原有的信息而让我们陷入困境。
更糟的是,这恰恰会让你惊讶地发现,对于属于人类自己的文明而言,我们是多么地自鸣得意。
“本质上或许有许多重要的东西来决定我们看不到的宇宙,”克劳斯在接受采访时说,“你可能有正确的物理学思路,然而手边的证据往往导致了错误的结论。同样的事情今天仍在发生。”
这里谈及的最近的“罪犯”当属暗能量,这是一种神奇的力,在1998年被发现。过去的10年里,它的诞生与物理学背道而驰。它加速了宇宙膨胀,使得星系之间彼此远离的速度越来越快。解释这种加速的主要候选者是埋藏在宇宙自身空间中的、被称为“宇宙学常数”的斥力。
追溯到1917年,爱因斯坦假设这个力的存在是为了解释宇宙为什么不会塌缩成黑洞,而当埃德温·哈勃(Edwin Hubble)发现遥远星系的退行时(即宇宙的膨胀),爱因斯坦又把方程中的宇宙常数项去掉了,并认为宇宙常数是他“一生中最大的错误。”
如果宇宙的加速是爱因斯坦常数(即宇宙常数)在起作用的话,那么未来是清楚的,同时又是模糊的。在克劳斯和谢勒的文章中,他们最终推断出一类宇宙的标准模型:宇宙拥有140亿年的历史,它的组成中普通物质很少,大部分是暗物质和爱因斯坦常数。
随着宇宙的膨胀和空间的增大,就有更大地力加速星系间的远离。当星系的膨胀接近光速时,星系将接近视界并且完全从视线中消失,就好像它们正掉入一个黑洞,发出的光的波长会无限增大,并且由于它们的高速运动而变得黯淡无光。当视界缓慢地像陷阱一样在我们周围收缩时,首先消失的是最远的星系。
类似的命运也会降临在大爆炸的余辉上——一个已经变得很暗弱的宇宙微波背景,它的波长将发生移动,以至在银河系中其信号会淹没在射电噪声中。另一个至关重要的线索是宇宙空间中氘的丰度(它是在大爆炸中产生的氢的一种同位素),这个丰度将变得无法探测。因为我们需要借助远处类星体所发出的光才能观测到它,而在那个时候,这些类星体已经消失了。
最终,在很遥远的未来,失控的暗能量将从宇宙中吸取所有的能量和生命。几年前,普林斯顿高级研究院的卓越理论物理学家爱德华·威顿(Edward Witten)认为,一个永远加速的宇宙“并不很吸引人”;而克劳斯则认为这完全“有可能是最糟糕的宇宙”。
然而根据仔细的分析,未来的宇宙学家也许不会同意这种说法。克劳斯说,相反他们将对可见宇宙由6个星系组成而感到困惑,“6个星系的意义是什么?那时会有许多文章就此展开讨论。”
与我们不同,未来的许多天文学家可能会担心银河系将有朝一日坍缩成黑洞,并且像爱因斯坦一样为了阻止此事的发生而提出宇宙斥力。但是他们无从知道这种观点是否正确。
尽管到那个时候,宇宙中绝大部分是暗能量,克劳斯认为,它也是无法探测的,除非天文学家能跟踪一颗脱离星系并且进入宇宙暗流的恒星。但是这要耗费100亿年的时间,美国国家科学基金会恐怕不太会为此提供资助。
克劳斯说:“更加不可思议的事情是,50亿年前暗能量无法观测,而1000亿年以后仍然观测不到它。”
结果就像克劳斯和谢勒所指出的那样,实际上对于这种灾难性的未来,并不单单是暗能量造成的。1987年,南非开普顿大学的乔治·艾里斯(Gerge Ellis)和目前在普林斯顿大学的托尼·罗斯曼(Tony Rothman)写了一篇文章,描述了普通的膨胀是怎样逐渐使大多数星系远离而无法被看到,从而安排了宇宙不为人知的一幕。暗能量只是加速了这一幕的到来。
普林斯顿大学的宇宙学家詹姆斯·皮伯斯(James Peebles)说,还有更多迫在眉睫的问题。我们或许正在朝“渐近空虚的”宇宙演化,他说:“然而更令我心神不宁的是,在此之前美国就已彻底地陷入了这个阶段。”
你可能会反驳:未来的地球居民将比我们更加聪明。或许他们可能在实验室探测到暗能量——或者弦理论中的额外维度。
在50亿年以后或太阳爆炸之前,如果人类设法逃离了太阳系,那么或许他们是我们的后裔。但是如果相对论是正确的,他们不可能建造出能够观测越过宇宙边界的望远镜。
开始考虑派遣机器人探测器并不算晚,即使那时的人类不是我们的后裔或具有和我们不一样的DNA,那么至少一些事实是可以肯定的——即宇宙是由原子组成的,并诞生于一次大爆炸。
与此同时,训诫是我们不知道我们不了解什么,并且永远也无法知道——这是一条超越了天文学的戒律。
爱因斯坦曾经说过:“上帝是狡猾的但并不恶毒。”我想知道就这篇评论而言是否是时候该修改这句话了。麻省理工学院的宇宙学家麦克斯·泰格马克(Max Tegmark)说,问题并不是恶毒,而是人类的傲慢——对于科学进步而言,这是一个必须但又不合适的条件。
“我们总有把自己置于宇宙中心的倾向,”他说,“我们假设所看到的一切,就是宇宙所拥有的一切。”
但是,就像泰格马克注意到的一样,大爆炸理论学家们已经猜测出宇宙的基本性质超出了人类的想象。
我们认为自己生活在一个光滑、普通的宇宙,而不是混沌的宇宙的原因可能是混沌已经被隐藏。
根据大爆炸理论中占主导的暴胀理论(一个暗能量为主导的时期),它在时间开始后不到一秒钟内就拉伸宇宙空间并使它平滑,从而把所有的混乱和混沌、甚至是其他可能的宇宙都推到了我们所在的宇宙之外,而那些是永远也无法被观测到的。
“暴胀告诉我们,我们生活在一个杂乱的宇宙中,”泰格马克说。幸运的是我们不必去面对它。
人类是无知的。但这又何尝不是一种福份呢?