星系團LCDS-0829。NASA / ESA / 哈勃太空望遠鏡

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

不過在歷史上，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，很可能還以為它要坍縮。

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

第一個觀測證據(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，遠在銀河系以外。

第二個觀測證據(jù)是對星系紅移和藍移的測量。測量結(jié)果能夠讓我們獲知哪些星系在離我們遠去（紅移），哪些在向我們靠近（藍移）。

第三個觀測證據(jù)是對這些星系和地球間距離的測量。綜合這些觀測結(jié)果，我們得知，離我們越遠的星系，遠離我們的速度越快。

一大理論證據(jù)是愛因斯坦的廣義相對論。愛因斯坦認為，鑒于充滿了星系的宇宙在各個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年前后那段時期，人們都認為宇宙有一個溫度更高、密度更大且膨脹速度更快的過去，而隨著時間的推移，宇宙會變得越來越冷、密度越來越低，膨脹速度也會逐漸降低。

這在宇宙大爆炸的語境中，是合乎直覺的。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，宇宙可能會有三種不同的命運。

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

第二種是大凍結(jié)。這是一種與大收縮相反的假設(shè)場景。膨脹以高速開始，引力逐漸拖慢它的速度，但又不足以使其收縮。于是宇宙的膨脹會永遠進行下去，引力也會一直試圖阻止它膨脹，但又無法讓它完全停止。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，因此膨脹速度會逐漸變慢，并無限接近于零。假如宇宙的粒子總數(shù)多一個或少一個，就會出現(xiàn)前面兩種命運。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)。這樣的宇宙會以最慢的速度邁向熱寂。

通過觀測遙遠的星系，我們不但可以測出宇宙今天的膨脹速度，還可以測出宇宙過去的膨脹速度。因為星系越遠，它所處的年代就越早。結(jié)果表明，在大爆炸后幾十億年時，宇宙很可能曾經(jīng)表現(xiàn)出臨界宇宙的特點。精確地說是在宇宙大爆炸后的大約七十億年。

那時候在宇宙的膨脹中起主導(dǎo)作用的是輻射。那時的物質(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)的密度變得越來越低。在某個時間點上，物質(zhì)的密度跌過了臨界，于是，潛伏在宇宙能量密度中的隱者——暗能量開始起作用。

在宇宙大爆炸后大約70億年時，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78億年的時候，暗能量的比重上升到了宇宙能量密度總和的33%。這個數(shù)值非常重要，因為暗能量的比例一旦超過這個值，宇宙就會加速膨脹。

NASA / ESA / 老孫

從那時，也就是距今大約60億年前開始，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，物質(zhì)的密度還會繼續(xù)下跌。因此暗能量的主導(dǎo)地位將越來越穩(wěn)固。

對于星系而言，這就意味著在宇宙的首個78億年間，它們互相之間遠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離的。但到宇宙大爆炸后大約78億個之時，這種變慢的趨勢逐漸中止，宇宙的膨脹開始加速。

說到宇宙的加速膨脹，有一點的確非常令人震驚——可觀測宇宙中除了我們本星系群星系以外的其它97%星系，終會有一天從我們的視線中永遠消失。那時的人類將看不到它們了，因為它們的退行速度會使以恒定速度前行的光永遠也無法到達我們眼中。

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

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

Ethan Siegel 文 / 老孫 譯