宇宙学的未来 ——一个正在加速的宇宙抹去了他自己的起源外文翻译资料

宇宙学的未来

——一个正在加速的宇宙抹去了他自己的起源

Lawrence M. Krauss and Robert J. Scherrer

摘要：十几年前，天文学家得出了一个革命性的发现，那就是宇宙在加速膨胀，他们并且得出了这个发现蕴含的意思。加速膨胀的会最终将银河系分开地比光速还快。这个过程意味着它抹去了大爆炸曾经发生过。对于我们后代来说，宇宙将看起来像一水坑的星星处在无尽的空虚中。那么，究竟什么知识被宇宙抹去消逝了呢？

关键词：天文发现； 宇宙膨胀； 暗能量；消失

宇宙

在100年之前，一个《Scientist American》文章上刊登了一篇关于大规模宇宙历史结构的文章，几乎完全错误。1908年，科学家们十分相信地认为我们所在的这个星系就是整个宇宙。他们认为宇宙就是被无尽的虚空所包围着的一群恒星，他们认为这是“宇宙之岛”。我们现在知道，我们的银河系是我们所能观测到的宇宙中40亿个星系的其中一个。在1908年，科学家认为宇宙是不动和永恒的。宇宙的源头是一场炎热的大爆炸，这是让人不可信的。元素的综合体在大爆炸的开始之时产生后来在恒星内合成人们还不理解；空间膨胀和弯曲、空间曲率由物质决定的更是没有人能够梦想到的。认识宇宙是基于射线这个事实，需要可怕的幻想能力，要等到科学技术发展起来，并不是决定于能够探索宇宙的时候，而是可以打电话回家的时候。

这是很难想象的，在过去的一个世纪里，还会有哪个知识领域，会像宇宙学这样经历这么大的变化，这种变化还改变了我们对世界的看法。但是，未来的科学一定比过去更能反映实际知识吗？我们最近所作的一项研究表明，这个问题的答案是否定的。我们可能生活在宇宙历史上唯一一个能够让科学家准确了解宇宙真实情况的历史阶段。

10年前天文学上一个引人注目的发现是我们的动机。两个不同小组的天文学家团队调查了过去50亿年宇宙的膨胀过程，发现宇宙似乎正在加速膨胀。这种力量来源于一种与真空联系在一起的新的东西叫做“暗能量”联系在一起。一些理论学家包括我（Krauss），已经通过间接测量预料到了这一结果。不过在物理上，这次是直接观测到的。宇宙的加速膨胀意味着真空中包含着很多能量，这些能量是我们目前观测到宇宙中所有恒星能量相加的三倍。讽刺地说，爱因斯坦是最先提出的，目的却是为了维持一个静态的宇宙。他把这种能量称为“宇宙学常数”。[见“宇宙反重力”劳伦斯·克劳斯在1999年1月发表在科学美国人上的文章]

暗能量将对宇宙的未来有巨大的影响。在宇宙学家格伦·斯塔克曼的帮助下，克劳斯和他一起合作探讨了这样一个问题：在一个包含宇宙学常数的宇宙中，生命的最终命运将会如何。结论是：不好。这样一个宇宙将演变成一个非常不适宜生存的地方。宇宙学常数会产生一个固定的“事件视界”，在这种假想边界以外，任何辐射或物质都不可能被我们看到。宇宙看起来就像一个内外颠倒的黑洞，物质和辐射不断被吸出视界，然后永不回头。这一发现意味着，可观测宇宙包含的信息是有限的，因此生命和信息处理过程都不可能永久持续下去。

在信息限定成为问题很久之前，所有随着宇宙一起膨胀的物质就会被推到事件视界以外。这一问题被美国哈佛大学的亚伯拉罕·洛布和长峰健太郎研究过了。他们发现，我们所说的“银河系”将坍缩成一个巨大的超星系。所有其他的星系都将消失在事件视界以外。这个过程将花费1,000亿年，看起来也许很长，但看起来是很短的时间与永恒的荒芜相比，。

坍塌的支柱

未来的人们如何去概括宇宙的历史呢？要思考这个问题，我们先回顾一下，支撑我们目前的宇宙观――大爆炸理论的几大支柱。

第一个支柱是爱因斯坦的广义相对论。在它出现之前的近300年里，牛顿理论一直是天文学几乎所有分支的基础。从地球到星系，不论在什么尺度下，牛顿理论都能准确预言物体的运动状态。但是，对于无穷大的物质集合，牛顿理论就完全不适用了。广义相对论突破了这个局限。1916年，爱因斯坦公布了广义相对论，并且提出了一个包含宇宙学常数的简单方程，用来描述宇宙。此后不久，荷兰物理学家威廉德西特就求出了方程的一个解。德西特的结果似乎与当时人们公认的宇宙图景完全一致：宇宙是被广阔且永恒不变的虚空包围着的一座宇宙岛。

宇宙学家们很快意识到，这种永恒不变的静止状态是一种误解。事实上，德西特的宇宙会永远膨胀下去。比利时物理学家乔治bull;勒迈特后来证明，爱因斯坦的宇宙学方程预言，宇宙要么膨胀，要么收缩，无限、均匀、永恒不变的宇宙不可能存在。后来被人称为“大爆炸”的理论，就是在这个观点的基础上产生的。

第二个支柱出现在20世纪20年代，天文学家们观测到了宇宙的膨胀。第一个为宇宙膨胀提供观测证据的人，是美国天文学家维斯托bull;斯莱弗，当时他用恒星光谱测量了邻近星系的速度。正在移向地球的恒星发出的光波会被压缩，波长变短，导致星光颜色向蓝色端偏移（蓝移）；正在远离我们的天体发出的光波则被拉伸，波长变长，颜色向红色端偏移（红移）。通过测量遥远星系发出的光波是被压缩还是拉伸，斯莱弗就能确定它们是在移向我们还是远离我们，还能测量它们的运动速度。（当时的天文学家们甚至不能确定，这些今天被称为“星系”的暗弱光斑，究竟是独立的恒星集团，还是银河系中的气体星云。）斯莱弗发现，几乎所有的星系都正在远离我们而去。我们似乎处在一个膨胀宇宙的中心。

不过，我们通常并不把宇宙膨胀的发现归功于斯莱弗，而是将功劳算在了美国天文学家埃德温bull;哈勃的头上。（不然就不会有哈勃空间望远镜，而应该是斯莱弗空间望远镜了。）哈勃不仅测定了邻近星系的速度，还测定了它们的距离。这些测量让他得出了两个重要的结论，足以说明宇宙膨胀发现者的桂冠非他莫属。第一，哈勃证明这些星系确实非常遥远，从而证明它们和我们所处的银河系一样，是独立的恒星集团。第二，他发现星系的距离与速度之间存在简单的对应关系：星系的速度正比于它与我们之间的距离。也就是说，一个星系到我们的距离是另一个的两倍，那么它远离我们而去的速度也会是另一个星系的两倍。距离与速度之间的这一关系，恰好是宇宙正在膨胀的标志。哈勃的测量结果后来不断得到修正，最近一次修正使用了遥远超新星的观测数据――正是这次修正导致了暗能量的发现。

第三个支柱是宇宙微波背景中的黯淡光辉。这是美国贝尔实验室的物理学家阿诺bull;彭齐亚斯和罗伯特bull;威尔逊，在1965年追查射电干扰源时意外发现的。科学家们很快就意识到，这种辐射正是宇宙膨胀早期阶段残留下来的一种遗迹。它意味着宇宙最初是灼热而致密的，后来才逐渐冷却，变得越来越稀薄。

炽热的早期宇宙还是核聚变的理想场所，这是大爆炸理论的最后一个观测支柱。当宇宙温度高达10亿到100亿K时，较轻的原子核能够聚变为较重的原子核，这个过程被称为“大爆炸核合成”。随着宇宙的膨胀，温度会迅速下降，因此核合成只能持续短短几分钟，聚变也只能发生在最轻的几种元素之间。宇宙中的大部分氦和氘都是在那个时候形成的。天文学家对宇宙中氦和氘丰度的测量结果，与大爆炸核合成的理论预言吻合。核合成还准确预言了宇宙中质子和中子的丰度，为大爆炸理论提供了进一步的证据。

黑暗的天空

距今1,000亿年后，未来的科学家们在仰望天空时，会看到些什么？如果不借助望远镜，他们看到的景象大概跟今天的星空没什么两样：天空中散布着属于他们所在星系的恒星。到那时，最大最亮的恒星应该早就耗尽了核燃料，为数众多的较小恒星依然会点亮夜空。不过，当未来的科学家们建造出望远镜，有能力观测他们所在星系以外的其他星系时，情况就大不相同了。他们将看不到任何东西！到那时，邻近的星系已经和银河系并合成一个超星系，所有其他的星系全都将消失不见，逃出事件视界之外。

遥远的星系不会瞬间消失，而是会逐渐淡出我们的视线。这些星系靠近视界时，红移将趋近于无穷大。克劳斯和斯塔克曼的计算表明：1,000亿年后，所有星系的红移都将超过5,000；10万亿年后，这些星系的红移都将高达10⁵³。到那时，即使是能量最高的宇宙线，波长也会因为红移太大而超过视界的尺度。这样，我们就真的完全看不到这些天体了。

因此，哈勃关于宇宙膨胀的重要发现将无法重现。所有随着宇宙一起膨胀的物质都将消失在视界之外，只有被引力束缚在一起的超星系才会被保留下来。对于未来的天文学家们来说，1908年的“宇宙岛”恰恰是可观测宇宙的真实写照：一个巨大的恒星集团，永恒而宁静地被包裹在一片虚空之中。

我们自己的研究经验显示，就算获得了数据，正确的宇宙模型也并非那么一目了然。从20世纪40年代到60年代中期，以哈勃发现的膨胀宇宙为基础，天文学家建起了一座观测宇宙学大厦。不过，一些天文学家仍然不放弃宇宙永恒的观念，提出了稳恒态宇宙模型。这种理论假设，随着宇宙的膨胀，物质会不断产生，因此就整体而言，宇宙并不会随时间而变化。今天的观测已经证明，稳恒态宇宙是行不通的。不过这种想法也表明，在缺乏足够的观测数据时，类似的错误观念是有可能出现的。

未来的天文学家能不能找到大爆炸的其他依据？他们能不能用宇宙微波背景来探索宇宙的动态演化？很可惜，答案仍然是否定的。随着宇宙的膨胀，背景辐射的波长也会变长，辐射也会更加弥散。当宇宙的年龄达到1,000亿年时，微波背景的峰值波长也将长达几米――已经不再是微波，而是射电波了。辐射强度也会降低到目前强度的一万亿分之一，也许再也观测不到了。

随着时间的继续流逝，宇宙背景将变得不可观测。在我们所处的星系中，恒星之间充斥着一种电子电离气体。低频射电波无法穿透这些气体，它们会被吸收或者反射回去。类似的效应可以解释，为什么我们能在夜晚收听到遥远城市的调幅广播，因为无线电波会被电离层反射再折回地面。星际介质可以看作为充斥于星系之中的一个巨型电离层。任何频率低于1,000赫兹（即波长长于300千米）的射电波，都无法在我们所处的星系中传播。频率低于1,000赫兹的射电天文学，永远不可能在星系内部建立起来。当宇宙的年龄达到目前年龄的25倍时，微波背景的波长就会被拉伸到这个极限之上，星系内的居民也就不可能再探测到这种辐射。甚至在这一天到来之前很久，微波背景中那些给今天的宇宙学家们提供了许多有用信息的精细图案，就会因为信号变得太弱而无法研究了。

大爆炸

燃烧会观察到大量的化学成分，这让未来的宇宙学家能否对大爆炸有所了解吗？在说一次，答案是否定的。问题是我们探索大爆炸的核聚变的能力取决于大量的重氢和氦自140亿年前没能充分进化这样的事实。例如，氦产生在早期的宇宙中，占总物质的24%。虽然，星体在其熔解的过程中产生氦，但他们只占到很小的百分比。美国安阿伯密歇根大学的天文学家佛雷德-亚当斯和格雷戈里-拉芙林认为在经过数代星体之后，这一小部分氦可以达到60%。未来的观察者会发现被氦气包围的原始氦会出现在后来数代的星体中。

目前，大爆炸核聚变最大的发现是有大量的重氢。我们对原始重氢的测量是来源于被认为是由类星体照射的氢气云团，超远距离明亮的灯塔被认为是由黑洞产生的。然而，未来的宇宙这些氢气云团和灯塔将超过边界，永远的看不见了。只有银河系中的重氢可能被观察到。但是星体破坏了重氢，几乎没有存留下来的。虽然未来的天文爱好者观察到重氢，他们也不会归因于大爆炸。人们已经开始研究包括高能宇宙射线在内的核反应，并把他们作为至少是一些观察到的重氢的来源，这些都看起来貌似很有道理。

虽然，观察到的大量光成份不能为大爆炸提供任何直接的证据，但是它将让未来的宇宙学在某个方面不同于一个世纪之前的宇宙学。研究核物理的天文学家和物理学家将得出星体烧毁核燃料这样的结论。如果他们那时得出他们所观察到的氦产生于早期数代的星体之中，他们就能够得出宇宙至今的年龄这样的结论（不正确）。这些科学家将完全正确的推测出银河系不是永恒的而是有年龄的。同样他们观察到的物质起源将披上神秘的外衣。

我们在这篇文章开始谈到的观点就是爱因斯坦的相对论预测的是一个膨胀的宇宙而因此产生大爆炸吗?未来的居民应该能够发现广义相对论是对太阳系中万有引力的精确的测量。然而，使用这个理论来推测大爆炸取决于对宇宙大范围结构的观察。爱因斯坦的理论预测膨胀的宇宙是同性质的。我们后代研究的宇宙则不然。它包括镶嵌在巨大空间中的星体岛。实际上，它类似于德西特的宇宙岛。所观测到的宇宙最终将崩塌成为黑洞，准确的说这将发生在未来我们的银河系中。

孤独的空虚

对于我们的后辈来说，没有办法来察觉这个膨胀的宇宙吗？在我们所能观测的范围内，至少根据我们当前的理解，加速度的确能起到一个说明问题的效果。正如黑洞的事件范围发出的辐射，我们宇宙论的事件范围也是这样。与这些辐射相关的温度是极其小的，大约在10-³⁰ 开尔文。即使天文学家过去能够发现它，但是他们也可能把它归因为其他远超过当地的噪音源。

未来有理想的观察者也会发出逃离超星系这样的探索，并且可能把其作为参考来探查宇宙膨胀的可能性。他们是否想这样做似乎是不可能的，因为无论如何，这样的探索都将至少花费数百亿年的时间来获得这样的观点---膨胀明显影响到其速度， 而且这样的探索需要与一个星体上的能量输出做比较，从而将信息传回给遥远的建造者。未来科学基金机构支持像黑暗中拍摄这样的事情是不可能的，至少我们的经验是有指导作用的。

因此，未来的观察者可能预测宇宙最终结束局部性的危机，而不是宇宙恒量产生的永久性膨胀。

我们被无情地引导到一个陌生的结论中。在智能观测器期间，能推测出宇宙膨胀的本质可能是非常少的。一些文明可能保留了很久远的历史文档，而且如果这种文明能够在数百亿年的战

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