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昵稱41082923 2018-09-02

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劉慈欣為《太空將來時》寫過一個序，我很喜歡它的題目，叫《走了三十億年，我們干嘛來了》。

三十億年是地球上生命起源和進(jìn)化的歷史，從遠(yuǎn)古地球的渾濁海洋中誕生第一個可以自我復(fù)制的有機分子，然后經(jīng)過三十多億年漫長而曲折的進(jìn)化，到人類從20萬年前走出非洲大陸，地球上終于出現(xiàn)了智慧文明的第一絲曙光。

大劉向人類提出了振聾發(fā)聵的問話：回首背后這條長得無法想象的路，現(xiàn)在己經(jīng)是時候該問自己一句：

走了三十多億年，我們到底干嘛來了？

銀河系 John P. Gleason

把三十億年放到宇宙的歷史長河中，也僅僅是一瞬間而己。

我們生存的這個宇宙己經(jīng)存在了約137億年，大爆炸的火球創(chuàng)造了我們生存的這片時空。它也許是多重宇宙中的一個孤島，也許是亙古無垠的黑暗與空無中的唯一綠洲。

宇宙洪爐的余燼淬煉出了生命和智慧，而人類的智慧透過那無盡的黑暗塵埃，現(xiàn)在己經(jīng)能洞察宇宙演化的秘密：這是人類智慧的勝利，同時也是因為：

我們生活在宇宙紀(jì)年中一個最好的時代。

30億年對于宇宙不過是滄海一瞬間圖源：維基百科

因為，這個時間剛剛好：沿著時間溯源而上，我們可以看到大爆炸的余輝，即宇宙的微波背景輻射；看向未來，我們能推測現(xiàn)在的宇宙加速膨脹的命運是什么？

現(xiàn)代宇宙學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，即宇宙的大爆炸理論，告訴我們，在大約137億年前，一個原始火球橫空出現(xiàn)于絕對的虛無之中。愛因斯坦的廣義相對論徹底改變了我們的時空觀念，時空是一種存在，而且是和物質(zhì)相伴生的存在。換言之，物質(zhì)不是存在于時空中，而是物質(zhì)和時空互相影響互相依存。

所以，在大爆炸之前，不存在時空，大爆炸不是出現(xiàn)于“時空”中，而是出現(xiàn)在絕對的虛無中，并創(chuàng)造了時空。這有點類似于道家的“有生于無”的哲學(xué)觀點。

有意思的是，弗里德曼根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論方程推導(dǎo)出了宇宙大爆炸的解，并指出我們整個宇宙一定還處在隨后的膨脹中。愛因斯坦拒絕相信一個非靜態(tài)的宇宙，并在他的方程中引入“宇宙學(xué)常數(shù)”來抵抗引力的作用，使宇宙能處于靜態(tài)。

但是五年后，哈勃對幾十個河外星系的觀察，證實了我們的宇宙正在膨脹中（著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡就是為了紀(jì)念這位哈勃而命名的）。多年后，愛因斯坦承認(rèn)宇宙學(xué)常數(shù)是他一生中最大的失誤。但是正如科學(xué)發(fā)現(xiàn)道路上的其它曲折一樣，進(jìn)一步的觀測表明，也許愛因斯坦并沒有錯得那么離譜，這是后話。

標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型告訴我們，宇宙源于一次大爆炸圖源：維基百科

這個原始大火球的溫度，在爆炸后，大約是我們太陽核心溫度的10萬億倍。你無法想象這個溫度，總之，溫度高得連任何基本粒子都無法存在，整個宇宙以純能量即光輻射的形式存在著。

正是這個宇宙誕生之初的光輻射，使得今天我們能夠直接驗證大爆炸理論。當(dāng)初的輻射經(jīng)過137億年的冷卻（更準(zhǔn)確的說法，是在宇宙膨脹中發(fā)生的紅移，使光的波長增長，能量降低，即俗稱的冷卻），己經(jīng)處在微波輻射的范圍。

1965年貝爾實驗室的兩位工程師彭齊亞斯和威爾遜在調(diào)試微波天線的時候無意中發(fā)現(xiàn)并證實了宇宙的微波背景輻射，并和理論預(yù)測完全吻合，他們也因此獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎。

1979年，另一位科學(xué)家，阿倫古斯，對“標(biāo)準(zhǔn)模型”做出了進(jìn)一步的修正。他在愛因斯坦的方程中發(fā)現(xiàn)了另一個解，在宇宙的極早期，在一個極其短的時間內(nèi)（~10-32秒），宇宙暴漲了至少1030倍數(shù)。

這樣的數(shù)字很難為我們常人所理解，我們可以這樣來看這個速度有多驚人：宇宙經(jīng)過137億年膨脹到今天的大小，絕大部分是在那么電光火石的一瞬間暴漲出來的，可見暴漲的速度有多驚人。

這里有一個小小的問題。對物理知識有所了解的同學(xué)們會有疑問，任何物質(zhì)的速度都不可能超過光速，這樣的暴漲速度顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了光速，這和狹義相對論矛盾啊？其實，這里暴漲的是空間本身，空間的膨脹并不受光速的限制。由于空間本身的膨脹，所有在空間中的物質(zhì)和能量也跟著一起膨脹，但并不是他們的運動速度超過了光速，而是被空間“拽”著膨脹，好似在一個正在吹脹的氣球表面的卡通圖案。

暴漲宇宙時間線圖源：維基百科

對于這個重大的科學(xué)論題，美國、歐盟和很多國家投入了很多資源來實驗驗證。前有1990年美國發(fā)射的宇宙背景探索者(COBE)，后有威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)，還有歐盟的普朗克太空飛船，以及安裝在南極的BICEP第一到第三代射電望遠(yuǎn)鏡。盡管對一些證據(jù)還存在著爭論，如對BICEP2探測到的微波背景輻射極性化的來源，但是己經(jīng)有越來越多的證據(jù)支持宇宙演化的模型，包括來自普朗克的最新成果(Science,v346,p1160,2014)

藝術(shù)家繪制的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）采集數(shù)據(jù)的景象圖源：維基百科

在科學(xué)界主流確立了宇宙膨脹的理論和實際觀測（哈勃的觀測）后，一個很自然的問題涌現(xiàn)出來：

宇宙未來的命運會是什么樣的？

這是哈勃發(fā)布的迄今為止視野最廣的宇宙全景圖，包含了15000個星系圖源：NASA

哈勃發(fā)現(xiàn)了我們的宇宙正在膨脹，但是由于引力是宇宙中唯一己知的長距作用力（其它三種力：強力、弱力、電磁力都是短距作用的），而且永遠(yuǎn)是吸引的，所以引力會逐漸地減慢宇宙膨脹的速度。

一個關(guān)鍵的問題是，宇宙中的物質(zhì)總量是否足夠多，或者說，我們宇宙的引力是否足夠強大，能在遙遠(yuǎn)的未來使宇宙膨脹完全剎車，并逆轉(zhuǎn)進(jìn)程開始加速收縮？還是引力雖然能減慢宇宙膨脹的速度，但是不足于使它停止，于是宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去？（數(shù)學(xué)上其實細(xì)分為三種情況，包括臨界膨脹，這里不予討論）

這是一個關(guān)乎我們宇宙終極命運的大問題。

上世紀(jì)90年代，兩個擁有奇怪名字的科研小組，高-Z團(tuán)隊（即紅移量較高）和SCP團(tuán)隊（超新星宇宙學(xué)項目小組），幾乎同時開始了對宇宙這個生死攸關(guān)的問題的探索。

他們的方法幾乎是一樣的，即尋找宇宙中如朝露般轉(zhuǎn)瞬即逝的超新星爆發(fā)（la類超新星，它們的光度會隨時間而周期性變化，由此我們可以推算出該天體與我們的距離），以他們?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)光源，計算不同星系的距離和紅移速率（即膨脹的速率）。通過計算宇宙在不同時期的膨脹速率，推導(dǎo)出我們宇宙減速的快慢，從而得出宇宙最后將會是剎車收縮，還是繼續(xù)永遠(yuǎn)膨脹下去。

宇宙中可見物質(zhì)大約只占5%，剩余的部分均為暗物質(zhì)或暗能量圖源：維基百科

1998年1月，兩個賽跑的團(tuán)隊同時在美國天文學(xué)會的年會上公布了他們的研究結(jié)果：我們的宇宙正在加速膨脹！這和之前所有的預(yù)期都是背道而馳的，震驚了整個科學(xué)界。

是什么神秘的力量能和整個宇宙的引力對抗，使得我們的宇宙還在加速膨脹？對此，我們一無所知。

人類每一次對宇宙的了解更加深入一層，以為將要觸摸到終極秘密的時候，無垠的宇宙就和我們開一次小小的玩笑，用又一層神秘的黑紗阻斷了我們的視線。

引力透鏡效應(yīng)被視為是暗物質(zhì)或暗能量的間接證據(jù)之一圖源：NASA

對于這個神秘的和引力對抗的力量，我們稱之為“暗能量”。因為到目前為止我們完全不知道它的起源和本質(zhì)（暗能量和暗物質(zhì)是完全不同的概念）。有意思的是，這個暗能量和之前愛因斯坦引入的“宇宙學(xué)常數(shù)”有著異曲同工之妙，恰恰起到了抵抗引力的作用：也許愛因斯坦的天才的洞察力和直覺再一次地證明了自己？

宇宙加速膨脹的圖像為未來的智慧生命勾勒出了一幅孤獨的影像：

假如再過400億年，宇宙繼續(xù)加速膨脹，所有的星系都狼奔豕突遠(yuǎn)離我們，宇宙盛世的遺跡早己四散星落，只剩下這一孤零零的星系。

我們在銀河系中的位置圖源：NASA

那時，我們的夜空將黯淡無光，因為所有的星辰會和我們漸行漸遠(yuǎn)，亮星隱去光輝，暗星則無影無蹤……

在那樣的時空中，假如有一個智慧生命，仰望星空，凝視這深邃無邊的黑暗淵藪，那該是多么絕望的情景啊！

既看不到宇宙過去的演變，也看不到未來的變化，甚至都感覺不到正處在一個膨脹的宇宙中。這樣的智慧生命將完全無法解釋宇宙是怎么來的，更無法如我們今天這樣推測宇宙的規(guī)律和歷史：他們生活在宇宙無邊黑暗中漂浮著的一個孤島上。

“前不見古人，后不見來者，念天地之悠悠，獨愴然而淚下”，大概描述的就是這種感受吧。這樣的智慧生命，生存在這樣孤獨的宇宙中，將會產(chǎn)生什么樣的文化甚至宗教呢？

人類是幸運的。

我們生活在宇宙歷史的這一時刻，能夠用我們的智慧去探尋宇宙演化的秘密。在我們?yōu)樯盥德当济Φ臅r候，不要忘了，偶爾，我們也可以抬頭仰望星空，自由釋放我們的心靈。

銀河系與箭袋樹森林 Florian Breuer

宇宙深處的光線

是人類和宇宙之間的信使