星系團(tuán)LCDS-0829。NASA / ESA / 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡

也許對(duì)20世紀(jì)的最后一代而言，宇宙學(xué)中最大的發(fā)現(xiàn)是宇宙的加速膨脹。那些遙遠(yuǎn)的星系不但在遠(yuǎn)離我們，而且竟然還在加速遠(yuǎn)離我們！這一發(fā)現(xiàn)獲得了2011年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但這真的是一個(gè)極端古怪且無(wú)法解釋的現(xiàn)象。

不過(guò)在歷史上，宇宙的膨脹并非一直都和今天一樣。幾十億年前，宇宙的膨脹要比今天慢，假如我們生活在那時(shí)，很可能還以為它要坍縮。

1920年代，三大觀測(cè)證據(jù)和一大理論證據(jù)都指出：宇宙在膨脹。

第一個(gè)觀測(cè)證據(jù)是河外星系的發(fā)現(xiàn)。原本人們以為這些螺旋狀的天體是星云，但它們實(shí)際上是所謂的“島宇宙”，包含了至少數(shù)十億的恒星。而且它們離我們極為遙遠(yuǎn)，遠(yuǎn)在銀河系以外。

第二個(gè)觀測(cè)證據(jù)是對(duì)星系紅移和藍(lán)移的測(cè)量。測(cè)量結(jié)果能夠讓我們獲知哪些星系在離我們遠(yuǎn)去（紅移），哪些在向我們靠近（藍(lán)移）。

第三個(gè)觀測(cè)證據(jù)是對(duì)這些星系和地球間距離的測(cè)量。綜合這些觀測(cè)結(jié)果，我們得知，離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離我們的速度越快。

一大理論證據(jù)是愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，鑒于充滿了星系的宇宙在各個(gè)方向上的密度是大致相同的，因此除非它在膨脹或收縮，否則它就是不穩(wěn)定的。

因此在1929年前后那段時(shí)期，人們都認(rèn)為宇宙有一個(gè)溫度更高、密度更大且膨脹速度更快的過(guò)去，而隨著時(shí)間的推移，宇宙會(huì)變得越來(lái)越冷、密度越來(lái)越低，膨脹速度也會(huì)逐漸降低。

這在宇宙大爆炸的語(yǔ)境中，是合乎直覺(jué)的。宇宙大爆炸就像是發(fā)令槍，參賽者一邊是宇宙的高速初始膨脹，一邊是想把一切往回拉的引力。由此我們可以設(shè)想，宇宙可能會(huì)有三種不同的命運(yùn)。

一種是大收縮。也許初始膨脹的速度是快的，但隨著時(shí)間的推移，引力開(kāi)始接管。膨脹的速度會(huì)逐漸變慢，然后停止，宇宙到達(dá)最大狀態(tài)，然后開(kāi)始收縮，最終重新坍縮成一個(gè)奇點(diǎn)。

第二種是大凍結(jié)。這是一種與大收縮相反的假設(shè)場(chǎng)景。膨脹以高速開(kāi)始，引力逐漸拖慢它的速度，但又不足以使其收縮。于是宇宙的膨脹會(huì)永遠(yuǎn)進(jìn)行下去，引力也會(huì)一直試圖阻止它膨脹，但又無(wú)法讓它完全停止。宇宙最終的結(jié)果是熱寂。

第三種是臨界宇宙。這種情況介于前面兩種假設(shè)之間。宇宙膨脹的速度能夠和引力完美平衡，因此膨脹速度會(huì)逐漸變慢，并無(wú)限接近于零。假如宇宙的粒子總數(shù)多一個(gè)或少一個(gè)，就會(huì)出現(xiàn)前面兩種命運(yùn)。但在第三種假設(shè)中，由于粒子數(shù)量剛剛好，而導(dǎo)致了“臨界宇宙”的出現(xiàn)。這樣的宇宙會(huì)以最慢的速度邁向熱寂。

通過(guò)觀測(cè)遙遠(yuǎn)的星系，我們不但可以測(cè)出宇宙今天的膨脹速度，還可以測(cè)出宇宙過(guò)去的膨脹速度。因?yàn)樾窍翟竭h(yuǎn)，它所處的年代就越早。結(jié)果表明，在大爆炸后幾十億年時(shí)，宇宙很可能曾經(jīng)表現(xiàn)出臨界宇宙的特點(diǎn)。精確地說(shuō)是在宇宙大爆炸后的大約七十億年。

那時(shí)候在宇宙的膨脹中起主導(dǎo)作用的是輻射。那時(shí)的物質(zhì)已經(jīng)冷卻到足以形成物質(zhì)和暗物質(zhì)，而隨著宇宙的持續(xù)膨脹，物質(zhì)的密度變得越來(lái)越低。在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，物質(zhì)的密度跌過(guò)了臨界，于是，潛伏在宇宙能量密度中的隱者——暗能量開(kāi)始起作用。

在宇宙大爆炸后大約70億年時(shí)，暗能量在宇宙能量密度總和中的比重大約是百分之幾，而到了宇宙大爆炸后78億年的時(shí)候，暗能量的比重上升到了宇宙能量密度總和的33%。這個(gè)數(shù)值非常重要，因?yàn)榘的芰康谋壤坏┏^(guò)這個(gè)值，宇宙就會(huì)加速膨脹。

NASA / ESA / 老孫

從那時(shí)，也就是距今大約60億年前開(kāi)始，物質(zhì)的密度一直在下跌。于是到了今天，暗能量的比重占到了宇宙能量總和的68%，物質(zhì)下跌到了32%左右（包括27%的暗物質(zhì)和5%的普通物質(zhì)）。而在未來(lái)，物質(zhì)的密度還會(huì)繼續(xù)下跌。因此暗能量的主導(dǎo)地位將越來(lái)越穩(wěn)固。

對(duì)于星系而言，這就意味著在宇宙的首個(gè)78億年間，它們互相之間遠(yuǎn)離的速度是在變慢的。盡管在宇宙大爆炸那一刻，所有物質(zhì)都是以非常高的速度相互遠(yuǎn)離的。但到宇宙大爆炸后大約78億個(gè)之時(shí)，這種變慢的趨勢(shì)逐漸中止，宇宙的膨脹開(kāi)始加速。

說(shuō)到宇宙的加速膨脹，有一點(diǎn)的確非常令人震驚——可觀測(cè)宇宙中除了我們本星系群星系以外的其它97%星系，終會(huì)有一天從我們的視線中永遠(yuǎn)消失。那時(shí)的人類(lèi)將看不到它們了，因?yàn)樗鼈兊耐诵兴俣葧?huì)使以恒定速度前行的光永遠(yuǎn)也無(wú)法到達(dá)我們眼中。

就我們目前所知，宇宙中的暗能量一直以來(lái)都是存在的。但在宇宙誕生78億年后，也就是我們太陽(yáng)系誕生前15億年，宇宙的物質(zhì)密度跌破了臨界點(diǎn)，導(dǎo)致宇宙在暗能量的主導(dǎo)下開(kāi)始加速膨脹。自此開(kāi)始，所有本星系群以外的星系都在加速離我們遠(yuǎn)去，直到來(lái)自它們的最后一點(diǎn)亮光消失在我們眼中。

宇宙的加速膨脹是在60億年開(kāi)始的。假如我們生活在60億年前，假如我們只憑直覺(jué)，就會(huì)以為宇宙的膨脹不過(guò)就前面所述的三種結(jié)果。正因我們生活在今天，才有幸得出這個(gè)結(jié)論。而未來(lái)宇宙中是否會(huì)出現(xiàn)新的情況？我們不得而知。

Ethan Siegel 文 / 老孫 譯