中新網(wǎng)9月24日電 10年前天文學(xué)家震驚地發(fā)現(xiàn)宇宙正加速膨脹中。他們至今仍深入探討著這項發(fā)現(xiàn)的意涵。臺灣《科學(xué)人》雜志4月號刊文《宇宙的盡頭》，作了有關(guān)介紹。原文摘編如下：

　　重點提要

　　-10年前天文學(xué)家震驚地發(fā)現(xiàn)宇宙正加速膨脹中。他們至今仍深入探討著這項發(fā)現(xiàn)的意涵。

　　-不斷加速的膨脹終將導(dǎo)致星系以比光還快的速度彼此遠離，消逝在我們的視線范圍外。此過程會毀滅我們賴以測量宇宙膨脹的參考點，徹底稀釋大霹靂所留下的特殊產(chǎn)物，使得宇宙看起來空無一物。簡言之，所有宇宙起源的遺跡都會被摧毀，好像從未發(fā)生過大霹靂似的。

　　-對我們遙遠的后代子孫而言，宇宙看起來像是個只散布著少許稀落恒星，并且一成不變、永無止境的空洞。

　　-有哪些知識已經(jīng)被宇宙給抹滅了呢？

　　100年前《Scientific American》刊載的一篇關(guān)于宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的文章，很可能是完全錯誤的。1908年時，科學(xué)家認(rèn)為我們的星系構(gòu)成了整個宇宙，稱之為“島宇宙”，意思是我們的星團被孤立在無窮無盡的空洞里。我們現(xiàn)在知道銀河系只是可觀測的宇宙所包含至少4000億個星系中的一員罷了。

　　1908年，科學(xué)上的共識認(rèn)為宇宙是靜態(tài)永恒的，根本沒有人知道宇宙竟會起源于一團霹靂火球，也不曉得元素合成于大霹靂的最初時刻與恒星的內(nèi)部核心，而空間的膨脹與物質(zhì)可能導(dǎo)致空間彎曲，更是想都沒想過的事情。由于偵測到宇宙誕生并冷卻后殘留的鬼魅影像，才證實了空間中充滿輻射，而探究這些輻射所必須仰賴的科技，也是為了讓人打電話回家才發(fā)展出來。

　　在過去一世紀(jì)的各學(xué)識領(lǐng)域中，很難找到變動比宇宙學(xué)還劇烈的，這些變動也確實改變了我們的世界觀。但未來的科學(xué)是否總能在累積更多的觀察基礎(chǔ)后，獲得更精確的認(rèn)知呢？我們最近的研究結(jié)論認(rèn)為，從宇宙的時間尺度上來說，答案是否定的。我們可能生存在宇宙極長遠的歷史中，唯一可以精確理解宇宙本質(zhì)的年代。

　　大約10年前的一個戲劇性發(fā)現(xiàn)，開啟了我們的研究動機。兩群美國天文學(xué)家追蹤過去50億年間宇宙膨脹的情形，都發(fā)現(xiàn)宇宙似乎正在加速膨脹。一般認(rèn)為真空中的某種新型態(tài)“暗能量”是這種宇宙反重力現(xiàn)象的源頭。包括本文作者克勞斯在內(nèi)的某些理論學(xué)家，根據(jù)間接測量的數(shù)據(jù)，早已預(yù)測到這個結(jié)果，但在物理學(xué)中，只有直接的觀測才算數(shù)。加速的宇宙代表著，真空能量幾乎是我們今日所觀測到一切星系、星系團與超星系團等宇宙結(jié)構(gòu)所含能量的三倍。相當(dāng)諷刺的是，愛因斯坦為使宇宙保持靜止?fàn)顟B(tài)而首先提出這種型態(tài)的能量，他把那稱為宇宙常數(shù)。

　　暗能量對于宇宙的未來，具有極大的沖擊�？藙谒购兔绹鴦P斯西儲大學(xué)的宇宙學(xué)家史達克曼(Glenn Starkman)一起研究了在一個具有宇宙常數(shù)的宇宙中，生命的可能命運，他們得到的結(jié)論是：情況不妙，這樣的宇宙對生命而言是個非常不友善的環(huán)境。宇宙常數(shù)會造成一個固定大小的“事件視界”。那是個假想的曲面，一旦距離超過這個界限，不論物質(zhì)或輻射都無法抵達我們所在的位置。這種宇宙就像是個內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的黑洞，物質(zhì)與輻射被困在視界之外，而非視界之內(nèi)。這項發(fā)現(xiàn)意味著可觀測的宇宙只包含有限的信息，因此無法永遠不間斷地處理信息(與生命)。

　　但遠在這個信息極限真正成為問題之前，膨脹宇宙中的所有物質(zhì)早已被驅(qū)趕到事件視界之外了。這個過程已被當(dāng)時同在美國哈佛大學(xué)的羅布(Abraham Loeb)與長峰謙太郎研究過了，他們發(fā)現(xiàn)所謂的本地星系群(包含了銀河系、仙女座星系與一堆相互環(huán)繞的矮星系)將會崩塌成一個巨大無比的超級星團，而所有其它的星系則將越過事件視界，完全消失無蹤。這個過程大概得花上1000億年之久，看來似乎很長，但對渺無人煙的終極荒漠而言，其實蠻短暫的。

　　宇宙學(xué)的基石崩塌

　　在極遙遠的未來，居住于此超級星團中的天文學(xué)家將如何描述宇宙的歷史呢？要能夠好好地思考這個問題，必須先回顧一下我們目前對宇宙的理解是建立在哪些基礎(chǔ)之上。

　　首先是愛因斯坦的廣義相對論。牛頓的萬有引力理論作為大部份天文學(xué)的基礎(chǔ)，已有將近300年的歷史，它非常適用于預(yù)測從地球到星系尺度范圍內(nèi)的天體運動，但對無限大量的物質(zhì)卻完全無能為力。廣義相對論克服了這個限制。在愛因斯坦于1916年發(fā)表他的理論后不久，荷蘭物理學(xué)家德西特(William de Sitter)研究一個包含了宇宙常數(shù)的簡單宇宙，并得出該模型廣義相對論方程式的解，重現(xiàn)了當(dāng)時對于宇宙的主流觀點：一個鑲嵌于廣闊的空無與靜態(tài)空洞中的島星系。

　　宇宙學(xué)家很快就理解到德西特宣稱的靜態(tài)宇宙是個錯誤的解讀。事實上，德西特的宇宙會永不停歇地膨脹，如同比利時物理學(xué)家勒梅特稍后的清楚解釋，愛因斯坦方程式所預(yù)測的無限、均勻且靜態(tài)的宇宙，根本不可能存在；宇宙一定會膨脹，或者收縮。后來的大霹靂理論，就是衍生自這個解釋。

　　現(xiàn)代宇宙學(xué)的第二個基礎(chǔ)，來自于天文學(xué)家在1920年代觀測到的宇宙膨脹。第一位提供宇宙膨脹觀測證據(jù)的人是美國天文學(xué)家斯里佛(Vesto Slipher)，他利用恒星光譜來測量鄰近星系的速度。當(dāng)恒星朝向地球運動時，光波波長會遭到壓縮而縮短，使得光色偏藍。當(dāng)發(fā)光體遠離地球時，光波長則會被拉扯變長，使光色看起來偏紅。透過測量遙遠星系發(fā)出的光波是被拉長或壓短，斯里佛可以得知那些星系遠離或接近我們的速度。(當(dāng)時天文學(xué)家尚不確定那些我們稱為“星系”的模糊發(fā)光區(qū)域，究竟是一些獨立的恒星聚在一起，或只是位在我們星系內(nèi)的云氣而已。)斯里佛發(fā)現(xiàn)大部份星系都離我們而去，我們似乎就坐在膨脹區(qū)域的中心。

　　真正被視為宇宙膨脹發(fā)現(xiàn)者的并非斯里佛，而是美國天文學(xué)家哈伯(你什么時候聽過斯里佛太空望遠鏡的大名呢？)。哈伯不僅測定了鄰近星系的速度，也量得它們的距離。從他的測量數(shù)據(jù)推演出來的兩項結(jié)論，使他留名青史。首先，哈伯證明了那些星系離我們非常遠，所以它們其實如銀河系一般是獨立恒星的聚集。其次，他發(fā)現(xiàn)星系遠離我們的速度直接正比于它與我們的距離；離我們兩倍遠的星系之速度，是離我們一倍遠的星系速度的兩倍，這正是宇宙膨脹呈現(xiàn)出來的效應(yīng)。自那時起，哈伯的測量便不斷被重新修訂。最近的一次是透過觀測遙遠的超新星的方式，該項觀測讓我們發(fā)現(xiàn)暗能量。

　　第三個基礎(chǔ)是微弱發(fā)光的宇宙微波背景輻射，那是1965年貝爾實驗室的潘琪亞斯(Arno Penzias)與威爾遜(Robert Wilson)在追溯無線電波噪聲原因時，無意間發(fā)現(xiàn)的。這種輻射很快地被確認(rèn)是宇宙膨脹的早期階段所遺留下來的，它代表宇宙剛開始是處于高熱致密的狀態(tài)，然后因膨脹而冷卻、變得稀薄。

　　最后一個大霹靂的觀測基礎(chǔ)是，高熱致密的早期宇宙是發(fā)生核融合的理想處所。當(dāng)宇宙的溫度到達絕對溫度10億至100億K時，較輕的原子核會融合成較重的原子核，此過程稱為大霹靂核合成作用。由于宇宙因膨脹而冷卻，這個過程只會發(fā)生在最初的數(shù)分鐘內(nèi)，所以核融合只能產(chǎn)生最輕的幾種元素。宇宙中大多數(shù)的氦是在那時產(chǎn)生的，氘與重氫也是。目前測得的氦與氘之豐度，符合大霹靂核合成作用的預(yù)期，成為大霹靂理論的左證，也讓我們能夠精確地量測宇宙間質(zhì)子與中子的豐度。(作者：克勞斯、薛瑞；李沃龍譯)