宇宙的命運 暗能量操控

早在古希臘時代，天文學家們就試圖回答宇宙從何而來、宇宙是什麼樣這些基本問題。比如，宇宙自古就存在，還是在什麼時候突然產生？宇宙到底是無限的還是終止於某一個角落？這些問題困擾了天文學家數千年。


*早期的靜態宇宙觀

在19世紀初，德國天文學家海因裡希·奧伯斯（Heinrich Olbers）首先以邏輯論證的方式，指出了宇宙必須是有限的。他認為，如果宇宙是無限的，而且在大範圍上，恆星在宇宙中分布均勻，那麼我們的視線在任何一個方向最終都會碰上恆星，雖然恆星越遠看起來越小，但是恆星表面亮度不變。因此，如果宇宙無限大，那麼即使在黑夜，天空看起來也應該像星星表面一樣亮。這顯然和我們日常經驗不符，所以，奧伯斯認為宇宙是有限的。

當然，奧伯斯在推論時，假定了宇宙是穩定靜態（不收縮也不膨脹）的。但那時候，人們覺得這是不言而喻的。運用稍微嚴格的數學推理，由奧伯斯的假定可以得出結論，如果宇宙無限大，天空的亮度應該無限大。

靜態宇宙被接受，很大程度上是因為符合了人們的經驗，可是要仔細推敲起來，即使在奧伯斯的年代，還是存在不小的問題。因為當時牛頓的萬有引力定律已經被建立起來了，按照這個理論，宇宙中的物質會互相吸引，如果宇宙是有限的，宇宙應當有收縮的傾向，最後會坍塌，所以一個有限的宇宙應當是不穩定的。

當愛因斯坦運用他的廣義相對論來研究宇宙時，他發現，由他的理論得出宇宙的解，要麼膨脹、要麼收縮。可是他當時也認為宇宙應該是靜態的，因此他在理論裡，人為的加上了一個所謂的「宇宙常數」，在宇宙大尺度上抵消了引力，從而得到了一個靜態的宇宙，這是暗能量的最初由來。

*「大爆炸理論」的由來

1929年，愛德文·哈勃（Edwin Hubble）發現宇宙正在膨脹。他發現，從遙遠星球來的光譜普遍向長波方向偏移，即發生「紅移」。星球越遠，其譜線紅移越大，而這種現象合理的解釋就是宇宙正在膨脹。在這種理論下，遙遠星體在遠離我們而去，遠離的速度和星體到觀察者的距離成簡單的正比關係。

科學家認為，既然宇宙是膨脹的，那麼過去的宇宙就要比現在的小，而在過去某個時刻可能整個宇宙僅僅是一個點。這個點就是現在科學家們認為的宇宙的開始，或者叫「宇宙大爆炸」。1963年，阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾森（Robert Wilson）發現了「宇宙大爆炸」留下的微波背景輻射，宇宙大爆炸理論逐漸被科學界所接受。

至此，天文學家們終於鬆了一口氣，困擾他們兩千多年的問題似乎終於有了答案。因為宇宙在膨脹著，所以，宇宙無論在時間還是在空間上都是有限的。

*科學家研究宇宙未來

現在科學界公認的宇宙年齡是137億年。接下來天文學家們開始探討宇宙未來的歸宿。他們認為，膨脹的宇宙可能有3種命運：第一種是永遠膨脹下去，天文學家稱之為開放宇宙；第二種也是永遠膨脹下去，但膨脹速度會越來越慢，最終膨脹速度會減小為0；第三種是宇宙膨脹會在某個時刻停止，然後收縮，可能再次發生大爆炸。因為引力的作用，無論哪種情況，宇宙膨脹的速度都應該是越來越慢。

但是宇宙膨脹變慢的觀點不久就被新的發現否決了。1998年天文學家驚訝地發現，宇宙膨脹不是越來越慢了，而是越來越快了。宇宙加速膨脹的證據來自對一類稱為Ia類超新星爆發的研究。

Ia類超新星爆發，起源於一類由白矮星和一個正常星體組成的雙星系統。雙星系統的物質不斷的從正常星體輸送到白矮星，當白矮星的質量達到臨界質量時，就會發生熱核爆炸。因為所有的白矮星在爆炸時，都有相同的質量，因而這類超新星爆發具有相同的亮度，而被天文學家用作「標準蠟燭」。

在地球上觀察到星體的亮度和星體的距離有簡單的幾何關係，因此天文學家通過測量，在地球上觀察到Ia類超新星爆發的亮度就可以算出超新星爆發的距離，從而知道了超新星爆發發生的時間。

另外，因為宇宙膨脹，從超新星爆發發出的光譜到達地球時發生了紅移。通過測量這種紅移，天文學家可以知道，發生超新星爆發以來宇宙膨脹了多少。通過研究不同距離的Ia超新星爆發，科學家們可以推算出宇宙膨脹的歷史。

在上個世紀90年代，兩個研究小組得出一致結論，宇宙膨脹在加速。此後幾年，宇宙大尺度結構和微波背景輻射測量也獨立的證明了宇宙的加速膨脹。

現在宇宙學家認為宇宙加速膨脹也不是宇宙產生之初就出現了，而是發生在宇宙大爆炸10億年之後。


*暗能量的提出

宇宙加速膨脹需要一種反引力能量的推動，這種能量到底是什麼，科學家們毫無線索，所以就把它稱為「暗能量」。科學家發現暗能量非常均勻的分布在宇宙中，除了提供反引力，和物質沒有任何作用。微波背景測量給出的密度大約是10∼29克每立方厘米。

暗能量還有一個很特殊的性質，隨著宇宙的膨脹，暗能量密度基本保持不變，也就是它可以憑空產生。最新的觀測表明，宇宙中暗能量佔宇宙總能量的73%，暗物質佔23%，常規物質只佔4%。

目前關於暗能量的理論主要有兩種。第一種是前面提到過的宇宙常數。這種理論認為宇宙中的真空有一種內在的能量。這種能量密度按照觀測結果應該為10∼29 克每立方厘米。這種理論的主要問題是理論預期的能量密度太大，是觀測值的1萬120倍。需要一種機制幾乎完全抵消這種能量密度，保留10∼29克每立方厘米的暗能量。這種精確調製如何實現，非常令人費解。

另外一種理論是第五元素理論（Quintessence）。這種理論認為，宇宙的加速膨脹來自一種被稱為第五元素的特殊物質，其名稱來源於古希臘的哲學。第五元素是一種非常特殊的物質，它均勻分布在宇宙中，具有負的引力質量。

無論暗能量是什麼，如果宇宙按照現在這樣加速膨脹下去，那麼處於近鄰超級星系團之外的星系最終會遠離我們而去，再也看不到它們。因為它們相對我們的徑向速度會超過光速。最後暗能量的斥力會撕裂星系、星體，甚至原子和原子核。物質復歸原始。也有宇宙學家認為，隨著時間推移，暗能量會慢慢消散或者轉變為引力。

*宇宙命運 多種假說

宇宙的命運到底將如何？不同的理論和假說會有不同的猜測。近年來，關於宇宙產生的大爆炸理論，也開始受到很多科學家的挑戰，其中最系統的學說就是所謂「循環宇宙」的理論。如2006年BBC等媒體報導，美國和英國的科學家組成的聯合研究組最近提出了新的宇宙起源理論。

普林斯頓大學史坦哈德特（Paul Steinhardt）和劍橋大學的圖洛克（Neil Turok）等人認為，在我們生活的宇宙產生之前已經有宇宙存在，目前的宇宙也將被未來的新宇宙取代，而現在這個宇宙遠比已知的還要古老。圖洛克甚至推測，現在也許有個「暗物質」宇宙與我們的現實宇宙同時存在，但是我們卻無法觸及到那邊。(