宇宙多少岁？有多大？膨胀多快？何时终结？

　　来源：世界科学

　　在过去的一个世纪，科学家书写了一篇关于宇宙的宏大史诗。这个“故事”开始于100多亿年前的一次大爆炸。但是这个“故事”是正确的吗？这个“故事”又包含了哪些关于宇宙的重要信息，以及接下去它将走向何方？

　　宇宙多少岁了？

　　一个世纪前，如果问宇宙学家，宇宙的年龄有多大，那么得到的答案往往是“无限大”。这个回答规避了宇宙是如何形成的。这种想法一直持续到1917年，当时阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）利用广义相对论提出了静态宇宙模型。广义相对论描述了引力，通过物体的质量弯曲时空结构，引力塑造了整个宇宙。

　　20世纪20年代中期，天文学家乔治·勒梅特（George Lemaître）根据理论计算指出，宇宙并非静止，而在膨胀。因此，过去的宇宙应该比现在更小。勒梅特认为，所有的一切最初都始于一个“原初原子”。

　　在20世纪60年代，天文学家发现了宇宙中最古老的光，即宇宙微波背景，这种思想开始受到重视。这表明一切都起源于一个炽热且致密的状态：宇宙大爆炸。

　　目前，基于对宇宙膨胀速率的估计，宇宙大爆炸发生于约138.5亿年前。但也存在一些不确定性，因为估算宇宙膨胀速率的方法不同，得到的数值也不同；不过，宇宙的年龄应该在120~145亿年之间。（详见：宇宙已经138亿岁？不，或许更年轻）

　　同时，还可以通过已知的最古老天体来验证这一点。恒星HD 140283几乎完全由氢和氦组成，这两种元素是在宇宙大爆炸后形成的主要元素，因此它被认为是一颗古老的恒星。目前，天文学家估计它的年龄约为144.6亿年，上下误差8亿年。它的年龄似乎比宇宙稍大一点。不过，已知最古老天体的年龄与宇宙年龄估计值如此相近，表明基于广义相对论的宇宙学标准模型是可靠的。

　　由于尚无法确定宇宙许多其他的性质，因此宇宙究竟存在了多久并不是个大麻烦。

　　宇宙有多大？

　　在夜晚凝望星空，可能会好奇宇宙到底延伸出了多远？在人类历史上，曾一度认为宇宙就是地球与恒星之间的区域。

　　直到17世纪的科学革命后，天文学家才提出了多种测量天体距离的方法。这些方法统称为宇宙距离阶梯，它基本上是一个自我递进的过程。

　　宇宙距离阶梯的每一级都以前一级为基础。最终可以抵达在最大的宇宙尺度上也能看到的极明亮天体：星系和超新星（发生爆炸的恒星）。这意味着通过这种方法可以测量整个宇宙的大小。

　　目前已知最遥远的星系是GN-z11。它发出的光要耗时约134亿年才能到达地球。在这段时间里，时空一直在膨胀。根据宇宙学标准模型得到的宇宙膨胀速率，这个星系目前到地球的距离约为320亿光年。利用这种方法外推至整个可观测宇宙，天文学家估计当前宇宙的直径约为930亿光年。

　　但是这仅仅是可见最远天体的距离。这并不意味着走了930亿光年后，会撞上一堵墙。宇宙本身远不止于此。

　　因为无法看到宇宙学视界之外的事物，所以科学家往往会根据宇宙学标准模型做出推断。

　　大多数宇宙学家相信，在大爆炸之后瞬间，宇宙立刻经历了一次指数级的膨胀，即暴胀。由于量子理论预言微小的能量随机涨落会导致物质的不均匀分布，因此暴胀是解释宇宙在大尺度上平直性和均匀性的最佳方式。如果没有发生暴胀，物质就不会呈现出今天所见的均匀分布。

　　暴胀理论还暗示，宇宙实际上比所能看到的要大得多。在这种情况下，宇宙的巨大程度超乎一般的想象。它们是我们宇宙的一部分，还是独立的？这取决于看待问题的视角。不过可以肯定的是，要想了解宇宙学视界之外的宇宙大小，需要更好地认识宇宙诞生之初的情况。

　　宇宙膨胀得有多快？

　　1929年，天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）发现遥远的星系正在远离我们，从而发现了宇宙在膨胀。通过测量星系的距离，并将其与星系的红移进行比较，可以测定宇宙的膨胀速率，一般用每百万秒差距上的速度来衡量，这里红移描述了星系发出的光因宇宙膨胀而被拉伸的程度。

　　21世纪初，哈勃空间望远镜的观测结果表明，目前宇宙膨胀的速率接近75千米每秒每百万秒差距。那时，宇宙学家认为这个值就此敲定。剩下要做的就是测量这个速率在宇宙所有物质和能量的引力作用下减慢了多少。

　　但是当答案出现时，一切都改变了。20世纪90年代末，天文学家发现宇宙膨胀并没有减慢。相反，宇宙膨胀在加速。已有的物理学知识根本无法解释这一现象。唯一的方法是重新引入爱因斯坦为保证静态宇宙所加入的宇宙学常数。它能够克服由引力造成的减速，并可作为驱动宇宙加速膨胀的能源。暗能量就此诞生，它是宇宙学标准模型中迄今仍无法解释的神秘成分。

　　2013年，欧洲空间局的普朗克卫星得到了迄今对宇宙微波背景最精确的测量结果，但这却使得这个谜题变得更加扑朔迷离。根据这些数据和标准模型，计算出宇宙应该以68千米每秒每百万秒差距的速率膨胀。这比此前哈勃空间望远镜根据超新星得到的速率要低。为了调和两个结果，物理学家改进了有关的计算，更好地量化了可能的误差，结果却发现两者的差异更大。这个矛盾意味着标准模型无法描述我们观测到的宇宙。

　　因此，目前一些宇宙学家正在思考，作为标准模型基石的广义相对论是否需要修改。当然这个问题还有回旋的余地。尽管在整个太阳系和其他特定情况下对引力的检验都非常精确，但仍有很大可能在宇宙大尺度上引力的作用与爱因斯坦的预测有所不同。例如，在百万秒差距左右的距离尺度上，目前对引力的实验限制仍非常弱。在这些尺度上，引力的强度似乎可以增加10%~20%。

　　很自然，理论物理学家有了大做文章的机会。不过，也有一些理论物理学家并没有准备立刻宣判宇宙学标准模型死亡。争议确实存在，但尚不足以引发恐慌。

　　宇宙中有多少物质？

　　长期以来，计算宇宙中有多少物质一直是宇宙学家关注的焦点，这主要是因为似乎有大量物质是看不见的。因为不会与光发生相互作用，于是它们被称为暗物质。当天文学家意识到普通可见物质的引力不足以维系星系和星系团时，便引入了这种神秘的物质。从那以后，它就被视为塑造宇宙结构的“隐”力，成为标准模型的重要组成部分。

　　虽然目前仍然没有探测到暗物质，但是宇宙微波背景中的温度涨落表明早期宇宙中物质和能量间存在相互作用，由此能估算出暗物质与普通物质的丰度之比。结果显示暗物质的质量是普通物质的5倍以上。宇宙含有约5%的普通物质、27%的暗物质和68%的暗能量。至少就目前而言，这是福音。

　　然而，最近对星系在8千秒差距范围内聚集程度的测量结果却引来了新的谜题。这个量的数值取决于宇宙中有多少物质，因为正是这些物质所产生的引力维系着星系团。一方面，可以通过观测来测量它的值；另一方面，也可以基于标准模型来计算它的大小。然而，精确的测量结果再次与理论预言之间出现了差异。

　　根据各种物质的既定比例和广义相对论所描述的引力作用，标准模型预言这值约0.81。但是天文学家在2017年观测得到的值却完全不同。使用弱引力透镜方法，他们测量了遥远星系发出的光在经过大质量天体附近时，被后者的引力弯曲的程度。由此得到的结果为0.74。这意味着宇宙中的物质比利用标准模型所预言的要少。

　　未来，地面的维拉·鲁宾天文台和欧洲空间局的欧几里得卫星都会进一步来完善这一测量结果。如果差异仍然存在，那么就需要解释其中的原因了。如果不能解释，那么这就是另一个要修改宇宙学标准模型的理由了。

　　宇宙呈什么形状？

　　宇宙的几何指的是时空的整体形状。在膨胀的宇宙中，存在两种可能性。如果所有物质产生的引力足够强，那么最终引力会把一切重新聚集到一起，称为闭合宇宙。然而，如果存在某种力使得宇宙的膨胀压倒了物质的引力，那么宇宙将会永远膨胀下去，称为开放宇宙，其整体形状像一个马鞍。有趣的是，宇宙似乎处于这两种可能之间。

　　通过抹掉整体曲率，暴胀解释了这个巧合。同时，平直宇宙已植根于宇宙学标准模型中。尽管如此，还存在一些疑问。

　　天文学家分析了普朗克卫星的最新数据，后者以前所未有的精度测量了宇宙微波背景的温度涨落。宇宙微波背景发出的光在传播到地球的过程中会被弱引力透镜弯曲。除非摒弃平直宇宙这一假设，否则实际测得的弯曲程度会比宇宙学标准模型预言的更大。由此会得到一个包含有更多暗物质的闭合宇宙。但是，闭合宇宙会加剧标准模型在其他地方与测量结果之间的差异，尤其是宇宙膨胀的速率似乎比预期的要快。如果宇宙是闭合的而不是平直的，就更难解释这一点了。

　　现有的其他测量几乎都表明宇宙是平直的。这一最新结果有可能是统计上的偶然性。随着维拉·鲁宾天文台或欧几里得卫星开始新的宇宙学巡天观测，这一偶然性兴许就会消失。但如果没有的话，那么就要用更好的办法来探测宇宙大爆炸和宇宙膨胀的真实属性。

　　这正是引力波可以发挥用武之地的所在。这些时空中的“涟漪”是遥远黑洞碰撞的产物。如果能探测到来自最遥远宇宙的引力波，就可以打开一扇了解早期宇宙的窗户。

　　有很多机制可以在大爆炸后的几分之一秒内产生引力波。因此，来自各个方向的原初引力波会构成一个引力波背景。由于宇宙的膨胀，它们的波长要比黑洞碰撞中产生的引力波波长大得多。目前最好的地面引力波探测器只能探测频率较高的引力波，无法探测到它们。但是欧洲空间局计划发射的空间引力波探测器则可以。如果能探测到原初引力波，那将是非常激动人心的。因为只有这样才能真正开始认识宇宙，了解暴胀是否真的发生过以及宇宙到底是不是平直的。

　　只存在一个宇宙吗？

　　在提出暴胀理论后，宇宙学家很快意识到了一些有意思的事情。暴胀可以发生在时空的任何地方。最初，它发生在宇宙的这个地方，但它也可发生在宇宙的其他地方。这一永恒暴胀可以产生各种不同的“泡”宇宙，它们会进一步形成更多的宇宙。这就是暴胀多重宇宙。

　　所有的泡宇宙都位于可观测宇宙之外，因此无法对其进行观测或测量。然而，因为多重宇宙是暴胀理论和量子力学的逻辑推论，而后两者已经在不同程度上被证明是有效的，所以许多宇宙学家相信多重宇宙的存在。虽然看不见，但却不能阻止人们去猜测究竟有多少个宇宙以及它们里面包含了什么。

　　对于标准的暴胀多重宇宙，宇宙的数目是无限的。每一个宇宙都可能和我们的宇宙完全不同。这种想法源于量子引力，它试图像自然界其他三种力一样把引力纳入量子力学的框架。弦理论用存在于10或11维时空中微小且振动的弦来替代标准模型中的粒子。它预言至少存在10的500次方个不同的泡宇宙，每一个都具有不同的物理学规律和自然常数。

　　还有一种可能是，也许只存在一个平行宇宙。2016年，在南极探测到了一个高能粒子。它并非来自太空，而是从地面向上飞出。两年后再次观测到了这一现象。一种解释是，这个粒子可能来自与我们的宇宙同时诞生的平行宇宙，但它沿着时间反向运动。

　　宇宙会何时终结？

　　在发现能加速宇宙膨胀的暗能量之前，宇宙的未来主要取决于它的几何。宇宙要么是闭合的，会在“大挤压”中坍缩；要么是开放的，会永远膨胀。

　　然而，由于暗能量的存在，宇宙学标准模型认为宇宙是平直的并将永远膨胀下去。如果宇宙学常数是暗能量，即它不会随时间变化，宇宙的膨胀速率最终会恒定，使星系团彼此离得更远。在这种情况下，人类将在宇宙中孤独地生存。这也被称为宇宙热寂，或者大冻结。最终，所有的恒星都会死亡，黑洞会越来越大，宇宙中剩下的物质将会趋于热平衡。没有温度差，能量就无法流动。宇宙将逐渐进入一种衰老状态，最终什么事情都不会发生。

　　另一种可能是大撕裂。在这种情况下，暗能量会持续增强，导致宇宙不断加速膨胀。这时，暗能量会超过束缚天体的引力，即便是星系这样的引力系统也会被撕裂开。

　　那么到底是哪种结局，只有认识了暗能量的本质后才能知晓。

　　不过，别高兴得太早，有一种方法能让宇宙在明天就终结。根据弦理论，存在一个有着不同物理定律多重宇宙的巨大图景。于是，通过量子隧穿效应，我们的宇宙会突然变成具有不同性质的另一个宇宙，其自然常数甚至物理学定律都会和已知的截然不同。由于原子的结构依赖于自然力之间的微妙平衡，一旦被打破，原子就会瞬间瓦解。如果在明天下午发生了这一相变，人们几乎不会注意到它。眨眼之间，一切就结束了。

　　因此，宇宙学家面临的终极问题也许是，是否能在量子湮灭发生之前弄清楚宇宙学标准模型正确与否。

　　-本文作者斯图尔特·克拉克（Stuart Clark）是《新科学家》顾问-

　　资料来源：

　　The state of the universe（New Scientist）