銀河系將成宇宙中的「孤魂野鬼」?(圖)

【明慧網2005年1月8日】這是一個讓人膽戰心驚的宇宙新理論:一個神秘的能量正在使宇宙加速膨脹,在未來的某一刻,這個可怕的能量將把星系、恆星、行星一一撕裂,最終將把所有的一切都撕裂,時間也將終結。

在未來的某一刻,這個神秘的能量將把星系、恆星、行星一一撕裂。

* 銀河系將變成宇宙中的「孤魂野鬼」?

就像是個夢,我們在那裏漂遊,永遠到達不了彼岸。宇宙也一樣,如我們研究所發現的那樣,在不斷地漂移遠去,註定要消失在時間、空間和物理定律的迷幻中。到那時,這些遙遠的群星只留下一些像孤魂一樣暗淡無光的影子,淡入陰曹地府般深不見底的宇宙中,只有那殘存的影子記錄著他們最後的瞬間。

今天,越來越多的跡象表明,宇宙正處於一種加速的膨脹中,所有遙遠的星系都在漂離我們而去,並且漂離的速度越來越快!隨著時間推移,最終那些星系都將以高於光速的速度漂離,從那些星系上發出的光子的速度就趕不上宇宙膨脹的速度,光子所攜帶的信息再也不能穿過宇宙空間,到達我們所處的銀河系的家。

實際上,那些距離地球六七十億光年的星系現在已經不能發送新信息到地球上了。這些星系的光譜已經紅移了太多。由於宇宙加速膨脹,它們以後再也不能向我們傳送任何放射性的信號,所有的星系只留下一個最後的、凝固的影像。我們將再也不能收集到這些星系此後所散發的任何光和其它輻射,它們在時間和空間裏被凝結了。這情形有點像黑洞,根據黑洞理論,物質掉到那個黑洞裏以後,會留下一個最後的影像,這樣洞外還可以看到這個影像,但這只是一個永恆不變、沒有活力的影像,把它比作人的遺像也不過分。

即便是那些凝固的影像也將最終消失。因此,億萬年後,宇宙也將真的成為一個空空蕩蕩的寂寞之地。也許我們還可以看到一些屈指可數的離銀河星系很近的星系,可能只有幾千個左右,這些星系不再會屈從於宇宙膨脹理論,由於遠離的星系對它們的引力越來越小,直到最後幾乎消失,因此這些在銀河星系附近的星系與銀河系之間的引力會越來越大,這種引力會使它們和我們的銀河系的距離越來越近,並最終和我們所在的銀河系相撞……

科學家們估計,距那一天的到來,只有大約不到1000億年的時間。這意味著,在500億到1000億年後,我們將收集不到任何來源於銀河系以外的關於星系的新信息。假設這些星系裏有文明存在的話,我們也將永遠沒有辦法與他們取得聯繫。

銀河系,將成為宇宙中的「孤魂野鬼」。

想像一下,當所有的星系離我們遠去的時候,當我們抬頭仰望天空,我們只能看到我們自己的家,那個像「牛奶之路」(銀河的英文「Milk Way」直譯過來是「牛奶之路」的意思)一樣的銀河系的時候,當我們再向遠處眺望時,只能看到那空蕩蕩、漆黑一片的世界時,我們是不是也會感覺有點孤單?是不是會感覺自己也像個孤魂野鬼?那些致力於尋找外星文明的科學家們常問這樣一句話:Are we alone?(我們孤獨嗎?)到那時候,是不是整個銀河系都要問:Are we alone?

* 最終決定宇宙命運的力量

是甚麼樣的力量使宇宙在不可遏止地膨脹,所有的星系都義無反顧地遠離我們而去?最近的研究表明,這是一種澎湃在宇宙所有角落的神秘暗能量。宇宙被暗能量所控制,而我們卻看不到它,就像你看到樹葉簌簌抖動時,你知道是風吹動了它,但你卻看不到風一樣。

這種神秘的暗能量隱蔽得如此之巧妙,連天文學家長時間以來都知之甚少。它在太陽系內根本不會被察覺,甚至在我們的銀河系中也不會產生任何效應。但是,在星系之間物質更加稀薄的環境下,它的作用會超出引力,使宇宙膨脹加速。

我們通常把星系之間沒有物質的真空地帶想像成「甚麼也沒有」,但是,如果我們從星際空間中把其中存在的稀少的物質粒子全部移走,然後將所有穿過這個區域的輻射也全部屏蔽出去,再把這個區域徹底冷卻到絕對零度,這樣得到的空洞空間仍然會有某種殘餘的能量,這就是暗能量。所以又有人把暗能量稱之為「真空能」,在物理上它表現得更像一個真空。上世紀二三十年代,就有科學家認為真空不空,只是物理的探測儀器探測不到罷了!

暗能量在宇宙中更像是一種背景,就像是空氣對於人類,或者是大海對於魚兒一樣,根本讓人感覺不到它的存在,但它確確實實的存在著,且起著非同一般的作用。

暗能量登上天文學的舞台是在1998年,當時兩個天文學家研究小組對遙遠星系中爆炸的超新星進行觀測之後,發現它們的亮度比預期的要暗,而這意味著它們的位置要比預期的位置遠,也就是說它們正在遠離地球。天文學家們認為,造成這種現象的原因是:從幾十億年前的某個時刻開始,宇宙的膨脹速度加快了。

在那以前,天文學家一直以為由於引力的作用,星系彼此施壓,宇宙膨脹是逐漸變慢的,最終,宇宙的變化過程會逆轉,引力會獲勝,而一切又重新收縮回來。但是對超新星的觀測結果表明,一股神秘的力量正扮演著引力的反力,導致星系以更快的速度彼此飛離,宇宙終將變成個寒冷、黑暗、沒有盡頭的世界。

起初,一些研究者質疑這個結果:也許是超新星的光被星雲擋住了呢?亦或是超新星本來就比科學家預想的昏暗呢?但是經過仔細驗證,這些猜疑全被粉碎,最後剩下唯一的解釋就是暗能量。

至此,愛因斯坦、霍金和其他聰明的宇宙學家都錯了:宇宙中最有影響的力量不是引力,而是以宇宙常量形式存在的「暗能量」。它可能提供了宇宙四種基本力──引力、電磁力、強力和弱力──之外的一種新的基本力:排斥力。

但是未知的東西仍然還有很多,現在還不清楚,使宇宙膨脹的暗能量是不是現今物理學意義上所描述的能量?或者它只是引力在非常遙遠距離的一種不同的表現?它的性質是甚麼?它的密度有多大?等等。

暗能量連同此前發現的暗物質,給了我們一幅徹底陌生的宇宙圖景。很多天文學家都為此心煩意亂,他們不得不適應一個沒有預計到的、怪異的新宇宙。

人們曾經以為宇宙中除了可見的星系物質外再也空無一物了,然而,大約在60多年前,宇宙學家通過天文觀測和理論研究發現,其實在宇宙中,除了普通物質之外還存在著一種神秘的不可見的「暗物質」。普通物質總是能與光發生相互作用,或者在一定的條件下自身就能發光。也就是說,即使普通物質藏身於最黑暗的角落,只要人們拿上手電筒照上一照,總能發現它們。但「暗物質」恰恰相反,它根本不與光發生作用,更不會發光。因為不發光、與光不發生作用,所以在天文上用光的手段絕對看不到它!不管你是用電磁波、無線電,還是用紅外射線、伽馬射線、X射線,去照射它都毫無用處。科學家只能通過其他手段來間接推導暗物質的存在,而關於暗物質的具體組成成分更是讓人一頭霧水。

暗物質的問題還沒有搞清,現在,又冒出來一個更玄妙的暗能量,怎能不讓天文學家感到突兀和尷尬!

現在科學家業已證實,在我們的宇宙中,普通發光物質只佔宇宙總能量的0.4%,其它的普通物質也只佔3.7%,而暗物質佔了近23%,另外的73%則是佔主導的暗能量。暗物質和暗能量這兩個當今宇宙學上讓人最捉摸不透的東西,卻佔了宇宙總能量和物質的96%,一起支配著宇宙的命運。這就意味著,宇宙中居然還有96%的成分我們無從知曉!

* 愛因斯坦甩不掉的錯誤

從某種意義上講,暗能量所導致的宇宙排斥力並非是一個全新的想法。愛因斯坦的廣義相對論裏已包括了反引力的理論,即所謂的宇宙常數。不過就連愛因斯坦自己,以及其後的很多天文學家都僅把它看成了一個和真實宇宙無關的數學發明。在20世紀90年代以前,沒有人想過這個常數會在現實中產生巨大影響。

那是1915年,愛因斯坦發表了他的傑作──廣義相對論,廣義相對論使我們理解了宇宙空間彎曲的含義,徹底革新了我們的宇宙時空觀。1917年,愛因斯坦將廣義相對論公式應用到整個宇宙,想看看能否獲得對宇宙本質的新認識。當時,所有人都相信,宇宙是封閉而靜止的──既不膨脹,也不收縮。但愛因斯坦的公式卻讓他十分驚訝:公式表明宇宙要麼在膨脹,要麼在收縮,但就是不能保持靜止!

面對著如此不符合「常識」的公式,愛因斯坦覺得他唯一的選擇就是引進一個附加因素,以使他的理論導出一個靜止不變的宇宙。這個附加因素就是宇宙常數,宇宙常數更準確的說法應該是「宇宙常量」,它代表著真空中有一種看不見的能量,其密度是一個常數,會產生宇宙排斥力。我們只要調整這個常數,就可以平衡引力與宇宙排斥力,而得到靜止且封閉的宇宙。

然而偉大的愛因斯坦很快就被鬧了個大紅臉。1929年,天文學家哈勃發表了他的宇宙膨脹觀測結果──所有的星系都正離我們遠去,我們的宇宙不是穩態的,是在膨脹的──這個觀測完全改寫了人類的宇宙觀。原先那個沒有包含「宇宙常數項」的愛因斯坦方程式,恰恰就描述了一個膨脹中的開放宇宙,愛因斯坦後在方程中加進的宇宙常數成了多餘的累贅。

1930年愛因斯坦還為了哈勃的這個觀測而造訪威爾遜山天文台,有張照片記錄了這次20世紀最偉大的物理學家與天文學家的相遇──愛因斯坦乖乖地盯著望遠鏡的目鏡,哈勃得意洋洋地在旁邊抽著煙斗。自此,愛因斯坦拋棄了自己過去信奉的穩態宇宙理論,宇宙常數也被愛因斯坦視為其一生中最大的錯誤而丟入垃圾桶。

* 然而,愛因斯坦真的錯了嗎?

這裏,有必要指出的是,一個沒有加進「宇宙常數項」的愛因斯坦公式雖然也能推導出一個膨脹的宇宙,但其膨脹速度總是逐漸減慢,而不可能越來越快,這就是說,宇宙在極早期一段極速的膨脹後,膨脹的速度便該慢慢減少。這是因為宇宙中物質引力造成的效應,就好比你把一顆球往上拋,地球的引力會讓這顆球的上升速度越來越慢一樣。而宇宙中到底有多少物質,便決定宇宙到底是會無窮盡地膨脹下去,還是終有一天為因物質的引力而再縮回成為一點。但無論如何,如果我們只把引力考慮進去的話,宇宙的膨脹總是要越來越慢的。

然而,真實的宇宙永遠超出我們的想像。今天,更多的觀測事實一再顯示,我們宇宙的膨脹速度,非但沒有因物質的引力作用而越來越慢,反而越來越快!宇宙正在加速膨脹,這就證明了宇宙排斥力存在,這個排斥力的來源就是充盈宇宙的暗能量。

這個暗能量有一個奇怪的特性,就是空間無論怎麼擴張,其密度總是恆定不變,而不會隨著空間的擴大而稀薄。要理解這一點並不難,鑑於暗能量自身的性質,它在任何虛無的空間中都是存在的,空間每擴大一點,真空中的暗能量也就隨之增加一點,空間擴大的地方,就是暗能量產生的地方,所以暗能量的密度總是不變的。與之相比,宇宙空間的物質總量卻是基本恆定的,當空間不斷擴大,物質的密度就會不斷下降,物質宇宙中越來越稀薄。

這一切意味著甚麼呢?很明顯,隨著宇宙空間的擴張,暗能量在宇宙中所佔的比例將會越來越大。它所產生的宇宙斥力也越來越強大,很快就超過宇宙中的萬有引力,使宇宙的膨脹速度不斷加快。

宇宙常數就是指這種宇宙空間中恆定的能量密度,它本來描述了宇宙的真實狀況,卻不能被幾十年前的科學家所理解,落得個被拋棄的命運。

現在,宇宙常數起死回生了,愛因斯坦視為一生中最大的錯誤,到頭來竟是對的。雖然,宇宙依舊不是如愛因斯坦早年所想的那般靜止不動,但至少,宇宙常數不為零現在已是大多數人所接受的「事實」。這段宇宙常數被發明、被揚棄、又死而復活的歷史告訴我們,今日被大多數人或被學術權威相信是正確的事,明日很可能會被證明是錯的。

* 暗能量兩次改變宇宙進程

這裏有一個奇怪的問題:為甚麼宇宙常數可以幫助愛因斯坦的公式導出一個靜態的宇宙,而到了今天宇宙常數復活時卻又導出了一個加速膨脹的宇宙?

我們在前面說過,宇宙暗能量是一個定量,能量密度不會隨宇宙體積增加而降低,也就是說無論宇宙大小,暗能量的密度都是一個固定值。這樣的行為和其它我們熟悉的能量形式,如輻射(光子)能量和一般粒子能量都不一樣,這類可觀測的能量密度會隨宇宙膨脹而下降。而正是因為暗能量的性質怪異,它才能夠提供不尋常的宇宙排斥力。隨著宇宙空間的不斷膨脹,宇宙間物質密度不斷降低,而宇宙排斥力卻固定不變,這樣,曾經幫助愛因斯坦使宇宙靜止的宇宙排斥力(宇宙常數)現在成了宇宙加速膨脹的推進劑。

宇宙排斥力的作用曾經使整個宇宙的歷史產生過兩個轉折點。第一次是在宇宙起源之初,在第一秒剛開始的某一時刻,宇宙的尺度突然急劇猛增,那就是我們通常所說的宇宙劇烈暴脹階段。這個階段宇宙的膨脹是指數式的,也就是說,在每個固定時間周期裏宇宙尺度就擴大一倍。我們假設這個時間周期為1個滴答,那麼,2個滴答之後尺度增大到4倍;3個滴答,尺度增加到8倍;10個滴答,這個空間區域膨脹到1000倍以上。在那個暴脹期間,暴脹力異常之強,使得大約每隔100億億億億分之一秒(10-34秒)宇宙尺度就擴大一倍。這幾乎是個無限小的時間間隔,它就是前面所說的1個滴答。僅僅100個滴答後,一個原子核大小的區域就會暴脹到大約1光年的直徑。

為甚麼宇宙表現出這樣詭異的行為?這主要是由於早期宇宙完全被真空暗能量所控制,而那時的宇宙幾乎還沒有任何物質粒子,因此也就幾乎沒有任何引力對膨脹起剎車作用,只有強大到幾近失控的排斥力造成宇宙的尺度增長得越來越快。

暴脹造成的尺度急劇猛增也解釋了我們現在的宇宙為何在各個方向上都如此均勻,因為宇宙任何初始的不規則性都會被空間擴展抹平,這非常像一隻氣球,當它脹大時其上的皺紋便會消失。同樣,不同方向上早期膨脹速度的任何變化也很快被急劇的暴脹所淹沒,因為暴脹在各個方向上都有相同的作用力。

後來,隨著宇宙溫度逐漸冷卻,宇宙中結團成塊的物質逐漸增加,從粒子到原子、到星雲、到恆星和星系,物質密度越來越大,這就意味著物質的引力作用越來越強,並漸漸在與暗能量的抗衡中佔了上風,使宇宙膨脹的速度緩慢下來。

然而,大約六七十億年前,暗能量又一次改變了宇宙的歷程。根據最新的觀測資料,天文學家估計,那個時期物質引力失去了對宇宙的控制,控制權再次落入了神秘的暗能量之手。這個變化的具體原因迄今無人知曉,最大的可能是,那時期宇宙物質在持續數十億年密集產生後,進入一個平穩時期,物質產生的數量在逐漸變少,而宇宙仍舊在不斷膨脹,致使宇宙空間中物質密度隨宇宙體積增加而不斷降低,但暗能量的密度卻還是恆定的,因此宇宙的排斥力在與物質引力的較量中重新佔了上風。

自那以後,宇宙間物質密度愈見稀少,而暗能量密度卻始終恆定,因此,宇宙加速膨脹終成定局。

* 萬物將被撕裂,宇宙將終結

星系不斷地漂移遠去,宇宙終將變得寒冷、黑暗、沒有盡頭,是我們不可避免的命運嗎?而這,還遠不是宇宙最令人心寒的結局──宇宙可能還有一種更悲慘的下場。

目前,關於暗能量的來源主要有兩種理論。一種觀點認為,暗能量類似愛因斯坦「宇宙常數」所假設的,是一種從真空中瀰漫出來的能量,不會隨時間改變,密度固定。但也有科學家提出,暗能量與一種變化的動態能量場相關,密度隨時間而改變。

按照暗能量穩定存在的假設,宇宙將會永遠加速膨脹下去;而如果暗能量本身不穩定,那麼宇宙有可能迎來動盪的末日。已經有跡象表明,這種動態的能量場似乎正變得日益強大,宇宙中暗能量的密度有不斷增加的趨勢。這意味著,愛因斯坦所發現的宇宙常數似乎在隨著時間的推移在增長。

如果真是這樣,那宇宙的前景將更加悲慘。暗能量越來越大,直到最後失控,不僅使宇宙膨脹的速度增加,更使其加速度也在不斷增加,結果將是一場宇宙大崩裂!

要理解這個問題,你可以想像一下,一輛小車每行進1公里,它的速度就增加了10公里/小時,然後每行進100米又增加了10公里/小時,然後每行進1米又增加了10公里/小時。這樣的速度是多麼恐怖!過不了多久,汽車就會被自身的加速度撕裂,很快,我們的汽車發動機也將四分五裂,不管我們花費多少心血都沒有意義。

顯然,宇宙的情況也是如此。如果宇宙僅僅是速度增加,而加速度是恆定的,正如前文所述,所有的星系最終都將超越光速相互退行漂離,結果,每個星系都會在一個寒冷、黑暗的宇宙裏像幽靈一樣的漂盪。但加速度的急劇變化將使宇宙膨脹的速度快到不可思議,強大的暗能量將撕裂宇宙中所有捆綁在一起的物體,它會撕裂星系的星群,它會撕裂恆星,它會撕裂行星和太陽系,直至最終撕裂一切。

這就是加速度增加與速度增加的不同。

而這一切都取決於宇宙中暗能量的密度是不是在不斷增加。

如果暗能量真是如某些科學家所估計的那樣正變得日益強大,那麼宇宙的終結時間恐怕連500億年都不到了,也許只有200億年。如果我們人類能在以後的200億年中能倖存下來(由於太陽只剩下50億年的壽命,這看起來疑雲重重),到時候科學家們就能看到一些跡象。

──在大裂變前10億年,所有的星系會離我們非常非常遙遠,就像是在空間中被蒸發了,再也看不到了;

──大裂變前的6000萬年,銀河系也分崩離析;

──大裂變前的3個月,我們太陽系的行星也飛離(假如它們還存在的話);

──當地球爆炸時,最後的時刻也就到來了;

──當最後30分鐘來臨的時候,原子甚至原子核也要崩裂了;

──時間終止了。

後來會發生甚麼?宇宙會再循環聚合嗎?一切都不再可知。

暗能量,這個躲藏在黑暗中的神秘力量,乃是宇宙命運的真正主宰!

(原載《大科技》雜誌)