微百科丛书微百科丛书(精装套):最初三分钟+弦理论+反物质+宇宙波澜+虚空

宇宙会一直膨胀下去，且会持续一段时间。关于它以后的命运，标准模型作出了含糊的预测：它完全取决于宇宙密度是否小于某个临界值或大于某个临界值。正如我们在第2章中看到的，如果宇宙密度小于临界密度，那宇宙就是无穷的，将永远膨胀下去。我们的后代，如果那时我们还有后代的话，将看到所有恒星上的热核反应会逐渐结束，仅残留下各种熔渣：黑矮星、中子星，或许还有黑洞。行星也许会继续沿轨道运行，当它们发射引力波时，速度会稍稍降低，但永远不会在任何一个有穷的时间内进入静止状态。宇宙背景辐射和中微子温度将继续下降，下降幅度与宇宙规模成反比，但这些都无法逃脱出我们的眼睛；即便现在，也还很难探测到3?K的微波背景辐射。 另外，如果宇宙密度大于临界值，那宇宙就是有穷的，*终会停止膨胀，取而代之的则是宇宙加速收缩。例如，如果宇宙密度是其临界值的两倍，如果当前通用的哈勃常数是正确的，那现在宇宙就有100亿岁了；它会再继续膨胀500亿年，之后开始收缩。收缩只不过是倒退的膨胀而已：500亿年过后，宇宙将重新回到现在的规模，再过100亿年，它将接近奇特的无穷密度状态。 至少在收缩阶段初期，天文学家（如果还有的话）将能够观测到红移和蓝移。如果宇宙比观测到光的时候大，那来自邻近星系的光就会发射出来，因此，当观测到光的发射时，这种光似乎朝着光谱的短波端，即蓝端偏移。另外，如果宇宙仍处于膨胀初期，那来自极远物体的光就会发射出来，那时宇宙甚至比观测到光的时候还小，因此，当观测到光的发射时，这种光似乎朝着光谱的长波端，即红端偏移。 由光子和中微子形成的宇宙背景温度将会下降，然后又随着宇宙的膨胀和随后的收缩而升高，它总是与宇宙规模成反比。如果现在宇宙密度是其临界值的两倍，那我们的计算结果说明，当宇宙膨胀到*大时，它比现在正好大两倍，到时的微波背景温度将只有当前值3?K的一半，或约1.5?K。因此，随着宇宙开始收缩，温度将开始升高。 刚开始，不会出现警报——在几十亿年的时间里，背景辐射的温度极低，需要付出很大努力才能检测到它。然而，当宇宙重新收缩到只有当前规模的百分之一时，背景辐射将开始在天空中占支配地位：夜空将如我们当前的白昼一样温暖（300?K）。7?000万年后，宇宙将再收缩10倍，我们的后代（如果有的话）将觉得天空亮得难以忍受。行星和恒星大气中的分子和星际空间中的分子将开始分解成原子，原子又将分解成自由电子和原子核。再过700?000年，宇宙温度将达到1?000万度；到那时，恒星和行星本身也将熔化成一种由辐射、电子和核组成的宇宙混合物。 再过22天，温度将上升至100亿度。然后，原子核开始分解成其组分，即质子和中子，从而破坏恒星和宇宙核合成。此后不久，在光子与光子的碰撞中将产生大量电子和正电子，中微子和反中微子的宇宙背景将与宇宙的其他部分重新形成热共享。 我们真的能够将这个令人沮丧的故事一直讲下去，一直讲到无穷温度和无穷密度的状态吗？当温度达到10亿度大约3分钟后，时间真的能够停止吗？显然，我们对此毫无把握。我们在第7章中探索百分之一秒时遇到的所有不确定的问题，在我们探索*后百分之一秒时，将再次使我们不知所措。首先，当温度比1032?K高时，我们必须使用量子力学的语言来描述整个宇宙，但没有人真正了解当时到底发生了什么。另外，如果宇宙并不具备各向同性和均匀性（参见第 5 章结尾），那么，在我们面对量子宇宙之前的很长一段时间内，我们整个的讲述就有可能失去有效性。 从这些不确定性中，有些宇宙学家看到了某种希望。或许，宇宙将经历一种宇宙“反弹”，开始重新膨胀。在《新埃达》中，诸神和巨人在世界毁灭时经过一场激战之后，地球被水火摧毁，但洪水退却后，托尔的儿子们又拿着父亲的锤子，从地狱中走了出来，整个世界又重新开始。但如果宇宙真的重新膨胀，那么，它的膨胀也会再次减缓，直至停止，然后开始另一轮的收缩，并在另一次的宇宙毁灭中结束，然后又发生反弹，循环往复，永无休止。 如果这就是我们未来的样子，那按理说，这也是我们过去的样子。当前宇宙的膨胀只不过是上一次收缩和反弹后的一个阶段而已（实际上，迪克、皮布尔斯、罗尔和威尔金森在1965年撰写的关于宇宙微波背景辐射的论文中就假设，宇宙在过去一定有一个膨胀和收缩的完整阶段，他们认为，宇宙一定曾经足够地收缩过，使温度升至至少100亿度，从而分解在之前阶段形成的重要元素）。再往后看，我们可以想象一个无穷尽的膨胀和收缩循环，它一直延伸到无穷的过去，根本就没有开端。 有些宇宙学家从哲学意义上对振动模型感兴趣，尤其是因为，如同稳恒态模型，振动模型也巧妙地避开了创世纪的问题。然而，它的确也面临着一个严重的理论难题。在每次循环过程中，随着宇宙的膨胀和收缩，光子与核粒子（或更确切地说，每个核粒子的熵）之间的比率，会因一种摩擦（称为“体积黏度”）而稍有增加。据我们所知，到时，宇宙将开始一个新的循环，光子与核粒子之间的比率也会是一个新的数值，且略有提高。目前，这个比率非常大，但却不是无穷的，因此难以看出，宇宙如何在过去经历了无数次的循环。 然而，所有这些问题都有可能被解决，不管哪个宇宙模型被证明是正确的，都不会给人多大慰藉。人类几乎不可避免地会认为，我们与宇宙之间存在某种特殊关系，人类的生活不仅仅是始于*初三分钟一系列事件所带来的具有喜剧色彩的产物，而且，我们在宇宙初始时就已在某种程度上将自己置于宇宙中了。当写至此处时，我正巧坐在一架飞行在30?000英尺高空的飞机上，当时，我正从旧金山返回到波士顿的家中，飞机飞行在怀俄明的上空。往下看，地球看起来非常柔软、舒适——绒毛似的云朵随处可见，积雪在落日的映照下变成粉红色，公路从一个城镇到另一个城镇，笔直地延伸在大地上。很难想象，所有这些都只不过是充满敌意的宇宙中一个微不足道的部分而已。 更难想象的是，当前这个宇宙是从人类完全陌生的早期环境中演化而来的，而且在将来有可能毁灭，进入无休止的寒冷或无法容忍的酷热状态，宇宙越是看似容易理解，越是让人不可捉摸。但即使我们的研究成果没有令人宽慰的东西，那至少研究本身也称得上是某种宽慰。人们不满足于用神和巨人的传说来宽慰自己，也不愿将自己的全部精力放在日常琐事上；他们还制造了望远镜、卫星和加速器，整日坐在办公桌前，研究所收集资料的价值和意义。努力去理解宇宙，这是使人类生活减少一些喜剧色彩、增加某些悲剧色彩的少数事情之一。 …… …… ……