宇宙的命运_参考网

宇宙的命运

2020-04-26编译瞿立建

世界科学 2020年4期

编译瞿立建

宇宙注定走向灭亡还是保持永恒？取决于哈勃常数的数值。

是什么决定了我们的命运？对于希腊斯多葛学派哲学家来说，人的命天注定。对于像亨利·梭罗（Henry David Thoreau）这样的先验论者来说，我命由我不由天。对现代宇宙学家来说，命运完全是另外一回事：一个攸关万物、与人无关的物理过程，可以归结为一个重要数字——“哈勃常数”。

哈勃常数可以简单地定义为宇宙膨胀的速度，即星系互相远离的速度。用科学术语来说，哈勃常数的单位是千米/（秒·百万秒差距），但宇宙学家很少以这种拗口的方式谈论它，他们通常略去单位，把它当作一个纯粹的数字来讨论。

根据宇宙现在的膨胀速度向过去推算，所有星系都有一个共同的起点——大爆炸，因此宇宙的年龄是有限的。向未来推算，宇宙会呈现出两种截然相反的结局，要么一直扩张下去，将能量都耗散掉，要么收缩回来，将一切秩序抹掉，再重新开始扩张。

埃德温•哈勃1889年11月20日—1953年9月28日美国著名的天文学家，星系天文学之父，发现了宇宙膨胀的第一个有力证据

哈勃常数这个小小的数字寄托着人类关于宇宙命运的情感思绪和智力探索。哈勃常数以美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Powell Hubble）的名字命名。哈勃在1929年发表了第一个关于宇宙膨胀的有力证据。自那以来的90年里，对哈勃常数的回顾和展望一直引发着争议。

20世纪30年代，宇宙学家计算出哈勃常数为500，并对其意义进行了激烈的争论。

最近，对哈勃常数的争议又呈现出新面貌。随着对宇宙膨胀速度的精密测量技术越来越高级，不同的技术却得到不同的测量结果，67或73。这让宇宙学家怀疑，从大爆炸到今天的宇宙演化过程的模型中是否遗漏了某些重要因素。

人们希望，对这个数字有足够精确的定量分析，以回答有关人类在宇宙秩序中地位的问题。我们是一个慢慢消逝的现实的一部分，还是正处在永恒中的一个瞬间？哈勃常数可以告诉我们答案。

现在，让我们走近这个有魔力的意义重大的数字。

令哈勃常数等于0

科学家们开始对哈勃常数着迷的时候，这个数字还没有得到任何测量——甚至还没有明确的证据表明它是真实存在的。

最早的空间扩张迹象根本不是来自于观测，而是来自于理论，即爱因斯坦1915年完成的广义相对论，该理论描述了引力的本质及其对空间和时间的影响。两年后，爱因斯坦发表了一篇大胆的论文，用他的新理论描述整个宇宙，从而走到了自己学术生涯的巅峰。

根据当时流行的天文学知识，爱因斯坦认为宇宙是静止的、永恒的，这种观念可以追溯到亚里士多德。亚里士多德认为宇宙是由嵌套的完美的水晶球构成的。

然而，相对论描写出一个静止的宇宙是不容易的。引力会使空间收缩，要避免这种状况，有两个选择，或宇宙作为一个整体在膨胀，或存在某种抵抗引力的排斥力。

爱因斯坦为得到一个静止的宇宙，给他的方程加上了一个宇宙学常数Λ。方程的左边描述时空的几何，方程的右边是宇宙里的物质

爱因斯坦选择了第二个解决方案，在他的方程里额外添加了一项，用希腊字母Λ表示。本质上，Λ是假设出的一种力，它能精确地抵消引力，使宇宙保持平衡。即爱因斯坦发现了一种将哈勃常数设定为零的方法，至少他是这么想的。

爱因斯坦的论文发表不久，爱因斯坦的朋友、荷兰物理学家和天文学家威廉·德西特（Willem de Sitter）求解了一下爱因斯坦方程。德西特求解的是一种特殊情形，一个空的宇宙，即没有物质，只有正的宇宙常数，也就是说，令图中方程的右边等于零。直觉上，没有物质的宇宙，时空不会有弯曲。令他惊讶的是，空宇宙的时空是弯曲的。向空宇宙中放一点点物质，比如几个原子，物质会飞散开去，也就是说，他得到一个膨胀的宇宙。但是，德西特认为自己得到的结果是假象，毕竟空宇宙根本不存在。

苏联物理学家和气象学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）更进一步，让静止的宇宙变成运动不休的宇宙。他对德西特的解做了更清晰的阐释，表明从爱因斯坦的方程中可解出好多种宇宙：膨胀的宇宙，收缩的宇宙，甚至振荡的宇宙。天文学家都清楚，恒星和行星会随着时间演化。弗里德曼的研究暗示，宇宙作为一个整体也是可以演化的。

爱因斯坦一开始不认可弗里德曼的结果，说他算错了，但第二年他不好意思地承认是自己算错了。爱因斯坦在论文中写道:“弗里德曼先生的结果是正确的，并对宇宙进行了全新的阐述。”爱因斯坦原则上接受了宇宙膨胀的概念。

历史上第一次，弗里德曼为宇宙的年龄设定了一个时间标尺，提出了宇宙可能有一个可测量的起点。

威廉•德西特1872年5月6日—1934年11月20日荷兰物理学家和天文学家，他求解爱因斯坦的方程，得到一个膨胀的宇宙

亚历山大•弗里德曼1888年6月16日—1925年9月16日苏联数学家、气象学家、宇宙学家。1922年求解爱因斯坦方程，提出宇宙运动不休的观点

维斯托•斯里弗1875年11月11日—1969年11月8日美国天文学家，观测到宇宙膨胀的第一人

乔治•勒梅特1894年7月17日—1966年6月20日比利时宇宙学家、牧师。用宇宙膨胀解释星系退行现象的第一人

弗里德曼在1924年的一篇论文中有一个段落鲜有人注意，他提出一种周期性膨胀和收缩的振荡宇宙，膨胀阶段持续100亿年左右，这一数值与当前对宇宙年龄的估算——138亿年——非常接近。

我们无法知道弗里德曼能将他的理论见解推进多远。他于1925年英年早逝，享年仅37岁，死因可能是在一次高空气球实验中感染而恶化的肺炎。

那时，天文学家们已经开始发现一些模糊的迹象，表明星系似乎正在向各个方向远离我们，这暗示着哈勃常数在起作用。

哈勃常数为500？

在美国亚利桑那州的洛厄尔天文台，天文学家维斯托·斯里弗（Vesto Melvin Slipher）自1909年以来一直在仔细观察他所称的“螺旋星云”（现在叫作螺旋星系）。他发现它们正在以惊人的速度运动，且几乎都在远离我们。更令人惊讶的是，颜色较暗的恒星通常比颜色较亮的恒星运动得更快。

这种模式是宇宙膨胀的一个迹象：如果空间各处等速膨胀，越远的天体远离观察者的速度就越高。

到1914年，斯里弗已经仔细观测了15个螺旋天体，其中有11个正在迅速远离地球。当年8月，他在美国天文学会的一次会议上宣讲自己的研究结果，全场起立为他鼓掌。但是，洛厄尔天文台的24英寸（约0.6米）折射望远镜的观察能力太有限了，他无法继续推进这项研究。斯里弗的宇宙学研究结束了，他的名字也逐渐湮没无闻。

又过了10年，斯里弗开辟的道路才有了后来人——比利时牧师、天文学家乔治·勒梅特（Georges Lemaitre）。

受德西特工作的启发，勒梅特在理论上提出，宇宙开始于一次大爆炸。他很快就意识到这个想法有实证支持。

1927年，他对斯里弗的测量数据进行了新的分析，并将其与最新的研究结果结合起来，得出了哈勃常数的第一个测量结果：575。

勒梅特将他的发现发表在一份不知名的比利时期刊上，当时没有受到什么关注。直到最近，科学史家才开始认识到勒梅特的贡献有多大，并提出宇宙膨胀论忽略他的名字是不对的。

2018年，国际天文联合会投票决定将哈勃定律（内容为星系的退行速度与它们和地球的距离成正比，比例系数即为哈勃常数）更名为哈勃-勒梅特定律。

埃德温·哈勃以前所未有的观测结果在宇宙学中占有一席之地，现代所有关于宇宙起源和命运的讨论中都会提及他的名字。他取得这样的成就，部分归功于哈勃自己，部分归功于哈勃的设备。

哈勃是一位雄心勃勃、工作勤奋的天文观测学家，一生致力于探索他所谓的“星云王国”。哈勃在第一次世界大战中被征召入伍，退伍后，他在加利福尼亚州帕萨迪纳市的威尔逊山天文台工作，那里有一种非同寻常的新仪器——胡克望远镜。

胡克望远镜是商人约翰·胡克（John Hooker）和实业家兼慈善家安德鲁·卡内基（Andrew Carnegie）资助建设的，是当时世界上最大的望远镜，口径100英寸（2.5 米）。它是美国迅速增长的财富和科学声望的象征，使欧洲的大天文台黯然失色。

哈勃和胡克望远镜是完美拍档，合力将大自然的哲学奥秘转化为冷静硬核的数字。哈勃通过望远镜对准遥远的星系，观察到一种独特的闪烁的恒星，称为造父变星。通过造父变星亮度变化的周期和亮度，可以算出它距离我们有多远。

哈勃在胡克望远镜的加持下，大大超越了斯里弗和勒梅特，成为宇宙制图师。

1929年，哈勃发表了观测结果。他对46个不同的星系进行了观测，不仅证实了距离我们越远的星系远离的速度比离我们越近的星系快，而且他还证明了星系退行的速度与它们到地球的距离成正比。这呼应了斯里弗的测量结果，暗示着宇宙在膨胀。

这篇论文的最大亮点是一幅用不可磨灭的数据点描绘出哈勃定律（现在称为哈勃-勒梅特尔定律）的图。通过这些点绘制的线显示出天体距离和速度之间的线性关系。从图中很容易看出哈勃常数的值：500。

宇宙动起来了，科学、哲学和神学也随之而动。

哈勃没有讨论沿着他的图往回追溯意味着什么，回到过去，所有的星系一定相距更近；展望未来，一切星系都将更加远离。哈勃只想做一个客观的观察者，他谨慎地提到了“表观速度”，并回避对其更深层次含义的推断。

哈勃在论文最后部分的讨论中只是粗略地提到了最近的宇宙学模型，指出他观测的结果可能与德西特预言的效应一致。

与哈勃的谨慎不同，理论家们激进得多，大部分理论家抛弃了爱因斯坦的静态宇宙，但用什么取而代之，谁也没有方案。

1931年2月4日，爱因斯坦访问威尔逊山天文台，对哈勃的观测心服口服。参观之后，在挤满记者的新闻发布会上，爱因斯坦正式宣布放弃静态宇宙论，支持宇宙膨胀论。然后他瞥了一眼手表（他像往常一样要迟到了），露出他标志性梦幻般的微笑，冲出房间，把记者们的连珠提问抛诸脑后。

1931年9月29日，英国召开了一场关于“宇宙演化”的会议，会议围绕“哈勃常数”进行了白热化的争论。就在几年前，这个话题还会被斥为胡思乱想、胡言乱语。

这场热闹的会议吸引了来自相对论和天文学交叉领域的著名人士，包括爱丁顿（Eddington）、德西特和勒梅特。参加会议的人太多了，会议组织者不得不增开了一个会议厅，用一组扩音器对主会场学术报告进行音频直播。

会议的首要任务是：掌握哈勃常数的字面意义。

来自加州理工学院的物理学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）扮演了牛虻的角色，他拒绝接受哈勃常数。他认为哈勃的观测结果所揭示的不是宇宙膨胀，而是一个先前未知的物理过程将远处的天体的光拉伸了。

牛津大学的爱德华·埃米尔恩（Edward A. Milne）提出另一种保守观点：一个星系群中，各星系以不同的速度在运动，很自然，远处的星系运动得快，近处的星系运动得慢，这就能解释哈勃所观测到的现象。

如果兹威基和埃米尔恩是正确的，那么个别恒星和星系的演化可能与宇宙的年龄和演化无关，那么，宇宙永恒依然可期。

在会场上，兹威基和埃米尔恩是绝对的少数派，大多数与会者已经接受了宇宙膨胀论。对这一群科学家来说，真正的问题是，宇宙膨胀对我们的起源和命运意味着什么。

勒梅特给出了最具戏剧性的解释，他提出宇宙开始于一次爆炸，宇宙是从一个原初原子爆炸出的烟花。宇宙有一个清晰、具体的开端，这个开端距今有多久？按哈勃常数为500来推算，宇宙大约开始于20亿年前。宇宙比地球年龄还要年轻！对这个结论，理论学家们觉得有点尴尬。

1931年2月4日，爱因斯坦访问威尔逊山天文台。爱因斯坦（左）在哈勃（中）的陪同下使用胡克望远镜，访问之后，爱因斯坦放弃静态宇宙论，支持宇宙膨胀论

爱因斯坦和德西特更倾向振荡宇宙论，即宇宙周期性地膨胀和收缩。德西特认为，宇宙在膨胀之后会无限收缩，宇宙依然是永恒的，并能不断重生。

即便承认振荡宇宙论，当前扩张阶段已经持续了多长时间仍然是个需要思考和回答的问题。加州理工学院的物理学家理查德·托尔曼（Richard Tolman）分析了“振荡宇宙”模型，并计算出当前的膨胀阶段已经持续了12.4亿年。一个明显不靠谱的数字。

理论学家激烈争议宇宙年龄的时候，观测天文学家却对这个问题兴趣不大，认为这不过是形而上学的推测。宇宙学家全面接受哈勃常数攸关宇宙创世的时刻这一观点，还要再等三十年的时间，等待两项重大突破的冲击。

哈勃论文中的数据图，显示出天体距离和速度之间的线性关系

沃尔特•巴德1893年3月24日—1960年6月25日德国天文学家，在美国度过了大部分科研生涯

哈勃常数为67还是73？

第一个突破发生在1952年，是由哈勃在威尔逊山天文台的同事沃尔特·巴德（Wilhelm Heinrich Walter Baade）取得的。

第二次世界大战期间，为了阻止日本偷袭美国西海岸，加利福尼亚州实行灯火管制，这对生活很不便，但对天文观测真是神助攻。漆黑的加利福尼亚天空使巴德得以对仙女座星系的恒星进行精确观测。他发现哈勃的观测结果有一个错误，这个错误导致对宇宙时间尺度的所有估计都是错的。

巴德确定了造父变星——哈勃用来确定离遥远星系距离的那些闪烁的恒星——有两种，一种比较亮，一种较暗淡。哈勃认为他观测到的是暗淡的那种，而实际上，他观测的是明亮的那种，所以，哈勃把星系之间的距离算小了。

1952年，在罗马举行的国际天文学联合会会议上，巴德的报告令与会者无比震惊：哈勃把星系距离少算一半，即哈勃常数多算一半，宇宙的年龄应是先前估算的两倍多。

宇宙年龄终于比地球年龄大了。

在接下来的几年里，哈勃的学生艾伦·桑德奇（Allan Sandage）用加利福尼亚州帕洛玛山上的200英寸（约5.08米）海尔望远镜观测，不断地向下修正哈勃常数的值，向上修正宇宙的年龄。他在1958年的观测数据表明，宇宙很可能有130亿年的历史。宇宙的年龄远远超过地球的年龄，化解了理论宇宙学家的尴尬。

另一个突破来自新泽西州霍尔姆德尔贝尔实验室的两位年轻的天文学家。

1963年，阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）在修理一个喇叭状的无线电波收集器时，遇到了一个奇怪的问题。他们的天线里有一种持续不断的噪音，就好像接收到持续不断的微波嘶嘶声。不管他们怎么清洁它或把它指向哪里，噪音一直顽固存在。

这种奇怪的现象引起了普林斯顿大学物理学家罗伯特·迪克（Robert Dicke）的注意，他一直在哀叹宇宙学“观测基础太少，以至于哲学思考即使不是主导作用，也仍然起着至关重要的作用”。现在他意识到，贝尔实验室的研究人员的这个偶然发现可能会打破这种现状。

勒梅特的烟花宇宙概念问世后的30年里，其他研究人员已经把这个概念发展成了大爆炸理论，一个关于宇宙如何从一个炎热、稠密的开端演变成我们今天看到的不断变冷、膨胀的宇宙的细致理论。大爆炸理论把哈勃常数从一个描述现代宇宙的数字翻译成了一个解释宇宙起源的故事。大爆炸所缺少的是任何能把它完全拉出形而上学领域的有力的观测支持。

彭齐亚斯和威尔逊接收到的无线电噪音，现在被称为“宇宙微波背景”，提供了这种支持。

它与理论预测的大爆炸剩余能量在今天应该呈现出的样子非常吻合。与大爆炸相竞争的振荡宇宙模型——那时被称为“稳态”宇宙学——不能解释微波背景。

许多其他的证据使科学界的观点倾向于大爆炸，但彭齐亚斯和威尔逊完成了最后一击。

稳态宇宙论者越来越被视为守旧者，固守着过时的亚里士多德式的宇宙秩序。

哈勃常数、宇宙的年龄和宇宙的起源三者紧密交织在一起。

宇宙大爆炸理论取得胜利之后，关于哈勃常数的争论并没有消失，但是在接下来的30年里，它仅仅变成了一系列关于数据的争论。

在20世纪70年代和80年代，艾伦·桑德奇和他的支持者信心十足地报告了一个比较小的哈勃常数——50，这表明宇宙有200亿年的历史。其他研究人员也同样有把握地说哈勃常数是100，宇宙的年龄是100亿年。最终，哈勃——不是天文学家哈勃，是哈勃太空望远镜——解决了争端，它说以上全错，哈勃常数在50～100之间。

宇宙膨胀不仅可洞察宇宙的过去，更令人震惊的是，还可以预测宇宙的未来。

阿诺•彭齐亚斯和罗伯特•威尔逊获得诺贝尔奖后，在帮助他们赢得诺贝尔奖的天线前合影

哈勃常数虽然叫常数，但实际上不是常数。星系相互之间的万有引力会对抗空间的膨胀，会使空间膨胀慢下来，即哈勃常数会随时间变小。20世纪90年代，天文学家开始测量这种减速，这将是一种给整个宇宙称重的方法：宇宙膨胀加速度减小越快，说明宇宙中的物质就越多。

两个大型研究团队开发了新的观测技术（其实是20世纪20年代埃德温·哈勃采用方法的极端加强版），并于1998年公布了他们的结果。出乎所有人预料，宇宙的膨胀并没有减慢，反而在加速，即哈勃常数在增大。

这好奇怪，唯一能想到的解释是，宇宙中存在某种尚不为我们所知的能量，使物质之间有“万有斥力”。宇宙学家把它称为“暗能量”。

尽管没有人确切知道暗能量是什么，但它为这两个团队的领导人赢得了2011年的诺贝尔奖：劳伦斯伯克利国家实验室的索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）、澳大利亚国立大学的布莱恩·施密特（Brian Schmidt）和约翰霍普金斯大学的亚当·里斯（Adam Riess）。

在那之前，宇宙似乎有两种可能的未来，一是永远扩张，越来越慢，但永不停止，走向永生；或者是最终停下来，逆转方向，开始大收缩，将自己毁灭，走向死亡。

暗能量给宇宙一个不同的未来。如果宇宙加速不受控制地继续下去，哈勃常数就会越来越大，空间也会越来越大。最终，它将使星系相距越来越远，使恒星相距越来越远，也许甚至会撕裂所有的原子。宇宙将永恒，但同时又是虚无。

然而，这很难说这就是我们宇宙命运的最后定论。宇宙学家相信更多的线索隐藏在哈勃常数中。例如，暗能量可能会随着时间的推移而改变，在这种情况下，宇宙未来的进程可能会转向一个非常不同的方向，甚至是一个创造和毁灭的循环。

就在过去的几年里，哈勃常数再起争议，暗示暗能量可能不止一种，对宇宙的演化不止产生一种影响。

按照埃德温·哈勃的方法，里斯和他的同事们正在观测邻近星系中的恒星，以测量哈勃常数，他们雄心勃勃的目标是将这个数字的精度控制在1%以内。里斯的测量结果锁定在73这个数上。哈勃常数还可以通过宇宙微波背景的精妙图案测量。欧洲发射的普朗克太空望远镜利用这种方法给出的答案看起来同样精确：67。这点差别，以历史标准来看微不足道，但却令宇宙学家不安，宇宙学家称之为哈勃张力。

严格地说，双方测量的不是同一件事。里斯观测的是地球周围的宇宙在相对现代时期的膨胀。普朗克望远镜测量的是大爆炸发生后不久宇宙的膨胀，然后再推算出哈勃常数的现代值。

调和两者的一种方法是假设宇宙早期的膨胀速度比预期的略快。解决哈勃常数争议，需要更精密的测量。