宇宙多少歲?有多大?膨脹多快?何時終結?
2021年06月17日10:45

  在過去的一個世紀,科學家書寫了一篇關於宇宙的宏大史詩。這個“故事”開始於100多億年前的一次大爆炸。但是這個“故事”是正確的嗎?這個“故事”又包含了哪些關於宇宙的重要信息,以及接下去它將走向何方?

  宇宙多少歲了?

  一個世紀前,如果問宇宙學家,宇宙的年齡有多大,那麼得到的答案往往是“無限大”。這個回答規避了宇宙是如何形成的。這種想法一直持續到1917年,當時阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)利用廣義相對論提出了靜態宇宙模型。廣義相對論描述了引力,通過物體的質量彎曲時空結構,引力塑造了整個宇宙。

  20世紀20年代中期,天文學家喬治·勒梅特(George Lemaître)根據理論計算指出,宇宙並非靜止,而在膨脹。因此,過去的宇宙應該比現在更小。勒梅特認為,所有的一切最初都始於一個“原初原子”。

  在20世紀60年代,天文學家發現了宇宙中最古老的光,即宇宙微波背景,這種思想開始受到重視。這表明一切都起源於一個熾熱且緻密的狀態:宇宙大爆炸。

  目前,基於對宇宙膨脹速率的估計,宇宙大爆炸發生於約138.5億年前。但也存在一些不確定性,因為估算宇宙膨脹速率的方法不同,得到的數值也不同;不過,宇宙的年齡應該在120~145億年之間。(詳見:宇宙已經138億歲?不,或許更年輕)

  同時,還可以通過已知的最古老天體來驗證這一點。恒星HD 140283幾乎完全由氫和氦組成,這兩種元素是在宇宙大爆炸後形成的主要元素,因此它被認為是一顆古老的恒星。目前,天文學家估計它的年齡約為144.6億年,上下誤差8億年。它的年齡似乎比宇宙稍大一點。不過,已知最古老天體的年齡與宇宙年齡估計值如此相近,表明基於廣義相對論的宇宙學標準模型是可靠的。

  由於尚無法確定宇宙許多其他的性質,因此宇宙究竟存在了多久並不是個大麻煩。

  宇宙有多大?

  在夜晚凝望星空,可能會好奇宇宙到底延伸出了多遠?在人類歷史上,曾一度認為宇宙就是地球與恒星之間的區域。

  直到17世紀的科學革命後,天文學家才提出了多種測量天體距離的方法。這些方法統稱為宇宙距離階梯,它基本上是一個自我遞進的過程。

  宇宙距離階梯的每一級都以前一級為基礎。最終可以抵達在最大的宇宙尺度上也能看到的極明亮天體:星系和超新星(發生爆炸的恒星)。這意味著通過這種方法可以測量整個宇宙的大小。

  目前已知最遙遠的星系是GN-z11。它發出的光要耗時約134億年才能到達地球。在這段時間里,時空一直在膨脹。根據宇宙學標準模型得到的宇宙膨脹速率,這個星系目前到地球的距離約為320億光年。利用這種方法外推至整個可觀測宇宙,天文學家估計當前宇宙的直徑約為930億光年。

  但是這僅僅是可見最遠天體的距離。這並不意味著走了930億光年後,會撞上一堵牆。宇宙本身遠不止於此。

  因為無法看到宇宙學視界之外的事物,所以科學家往往會根據宇宙學標準模型做出推斷。

  大多數宇宙學家相信,在大爆炸之後瞬間,宇宙立刻經曆了一次指數級的膨脹,即暴脹。由於量子理論預言微小的能量隨機漲落會導致物質的不均勻分佈,因此暴脹是解釋宇宙在大尺度上平直性和均勻性的最佳方式。如果沒有發生暴脹,物質就不會呈現出今天所見的均勻分佈。

  暴脹理論還暗示,宇宙實際上比所能看到的要大得多。在這種情況下,宇宙的巨大程度超乎一般的想像。它們是我們宇宙的一部分,還是獨立的?這取決於看待問題的視角。不過可以肯定的是,要想瞭解宇宙學視界之外的宇宙大小,需要更好地認識宇宙誕生之初的情況。

  宇宙膨脹得有多快?

  1929年,天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)發現遙遠的星系正在遠離我們,從而發現了宇宙在膨脹。通過測量星系的距離,並將其與星系的紅移進行比較,可以測定宇宙的膨脹速率,一般用每百萬秒差距上的速度來衡量,這裏紅移描述了星系發出的光因宇宙膨脹而被拉伸的程度。

  21世紀初,哈勃空間望遠鏡的觀測結果表明,目前宇宙膨脹的速率接近75千米每秒每百萬秒差距。那時,宇宙學家認為這個值就此敲定。剩下要做的就是測量這個速率在宇宙所有物質和能量的引力作用下減慢了多少。

  但是當答案出現時,一切都改變了。20世紀90年代末,天文學家發現宇宙膨脹並沒有減慢。相反,宇宙膨脹在加速。已有的物理學知識根本無法解釋這一現象。唯一的方法是重新引入愛因斯坦為保證靜態宇宙所加入的宇宙學常數。它能夠克服由引力造成的減速,並可作為驅動宇宙加速膨脹的能源。暗能量就此誕生,它是宇宙學標準模型中迄今仍無法解釋的神秘成分。

  2013年,歐洲空間局的普朗克衛星得到了迄今對宇宙微波背景最精確的測量結果,但這卻使得這個謎題變得更加撲朔迷離。根據這些數據和標準模型,計算出宇宙應該以68千米每秒每百萬秒差距的速率膨脹。這比此前哈勃空間望遠鏡根據超新星得到的速率要低。為了調和兩個結果,物理學家改進了有關的計算,更好地量化了可能的誤差,結果卻發現兩者的差異更大。這個矛盾意味著標準模型無法描述我們觀測到的宇宙。

  因此,目前一些宇宙學家正在思考,作為標準模型基石的廣義相對論是否需要修改。當然這個問題還有迴旋的餘地。儘管在整個太陽系和其他特定情況下對引力的檢驗都非常精確,但仍有很大可能在宇宙大尺度上引力的作用與愛因斯坦的預測有所不同。例如,在百萬秒差距左右的距離尺度上,目前對引力的實驗限製仍非常弱。在這些尺度上,引力的強度似乎可以增加10%~20%。

  很自然,理論物理學家有了大做文章的機會。不過,也有一些理論物理學家並沒有準備立刻宣判宇宙學標準模型死亡。爭議確實存在,但尚不足以引發恐慌。

  宇宙中有多少物質?

  長期以來,計算宇宙中有多少物質一直是宇宙學家關注的焦點,這主要是因為似乎有大量物質是看不見的。因為不會與光發生相互作用,於是它們被稱為暗物質。當天文學家意識到普通可見物質的引力不足以維繫星系和星系團時,便引入了這種神秘的物質。從那以後,它就被視為塑造宇宙結構的“隱”力,成為標準模型的重要組成部分。

  雖然目前仍然沒有探測到暗物質,但是宇宙微波背景中的溫度漲落表明早期宇宙中物質和能量間存在相互作用,由此能估算出暗物質與普通物質的丰度之比。結果顯示暗物質的質量是普通物質的5倍以上。宇宙含有約5%的普通物質、27%的暗物質和68%的暗能量。至少就目前而言,這是福音。

  然而,最近對星繫在8千秒差距範圍內聚集程度的測量結果卻引來了新的謎題。這個量的數值取決於宇宙中有多少物質,因為正是這些物質所產生的引力維繫著星系團。一方面,可以通過觀測來測量它的值;另一方面,也可以基於標準模型來計算它的大小。然而,精確的測量結果再次與理論預言之間出現了差異。

  根據各種物質的既定比例和廣義相對論所描述的引力作用,標準模型預言這值約0.81。但是天文學家在2017年觀測得到的值卻完全不同。使用弱引力透鏡方法,他們測量了遙遠星系發出的光在經過大質量天體附近時,被後者的引力彎曲的程度。由此得到的結果為0.74。這意味著宇宙中的物質比利用標準模型所預言的要少。

  未來,地面的維拉·魯賓天文台和歐洲空間局的歐幾里得衛星都會進一步來完善這一測量結果。如果差異仍然存在,那麼就需要解釋其中的原因了。如果不能解釋,那麼這就是另一個要修改宇宙學標準模型的理由了。

  宇宙呈什麼形狀?

  宇宙的幾何指的是時空的整體形狀。在膨脹的宇宙中,存在兩種可能性。如果所有物質產生的引力足夠強,那麼最終引力會把一切重新聚集到一起,稱為閉合宇宙。然而,如果存在某種力使得宇宙的膨脹壓倒了物質的引力,那麼宇宙將會永遠膨脹下去,稱為開放宇宙,其整體形狀像一個馬鞍。有趣的是,宇宙似乎處於這兩種可能之間。

  通過抹掉整體曲率,暴脹解釋了這個巧合。同時,平直宇宙已植根於宇宙學標準模型中。儘管如此,還存在一些疑問。

  天文學家分析了普朗克衛星的最新數據,後者以前所未有的精度測量了宇宙微波背景的溫度漲落。宇宙微波背景發出的光在傳播到地球的過程中會被弱引力透鏡彎曲。除非摒棄平直宇宙這一假設,否則實際測得的彎曲程度會比宇宙學標準模型預言的更大。由此會得到一個包含有更多暗物質的閉合宇宙。但是,閉合宇宙會加劇標準模型在其他地方與測量結果之間的差異,尤其是宇宙膨脹的速率似乎比預期的要快。如果宇宙是閉合的而不是平直的,就更難解釋這一點了。

  現有的其他測量幾乎都表明宇宙是平直的。這一最新結果有可能是統計上的偶然性。隨著維拉·魯賓天文台或歐幾里得衛星開始新的宇宙學巡天觀測,這一偶然性興許就會消失。但如果沒有的話,那麼就要用更好的辦法來探測宇宙大爆炸和宇宙膨脹的真實屬性。

  這正是引力波可以發揮用武之地的所在。這些時空中的“漣漪”是遙遠黑洞碰撞的產物。如果能探測到來自最遙遠宇宙的引力波,就可以打開一扇瞭解早期宇宙的窗戶。

  有很多機製可以在大爆炸後的幾分之一秒內產生引力波。因此,來自各個方向的原初引力波會構成一個引力波背景。由於宇宙的膨脹,它們的波長要比黑洞碰撞中產生的引力波波長大得多。目前最好的地面引力波探測器只能探測頻率較高的引力波,無法探測到它們。但是歐洲空間局計劃發射的空間引力波探測器則可以。如果能探測到原初引力波,那將是非常激動人心的。因為只有這樣才能真正開始認識宇宙,瞭解暴脹是否真的發生過以及宇宙到底是不是平直的。

  只存在一個宇宙嗎?

  在提出暴脹理論後,宇宙學家很快意識到了一些有意思的事情。暴脹可以發生在時空的任何地方。最初,它發生在宇宙的這個地方,但它也可發生在宇宙的其他地方。這一永恒暴脹可以產生各種不同的“泡”宇宙,它們會進一步形成更多的宇宙。這就是暴脹多重宇宙。

  所有的泡宇宙都位於可觀測宇宙之外,因此無法對其進行觀測或測量。然而,因為多重宇宙是暴脹理論和量子力學的邏輯推論,而後兩者已經在不同程度上被證明是有效的,所以許多宇宙學家相信多重宇宙的存在。雖然看不見,但卻不能阻止人們去猜測究竟有多少個宇宙以及它們里麵包含了什麼。

  對於標準的暴脹多重宇宙,宇宙的數目是無限的。每一個宇宙都可能和我們的宇宙完全不同。這種想法源於量子引力,它試圖像自然界其他三種力一樣把引力納入量子力學的框架。弦理論用存在於10或11維時空中微小且振動的弦來替代標準模型中的粒子。它預言至少存在10的500次方個不同的泡宇宙,每一個都具有不同的物理學規律和自然常數。

  還有一種可能是,也許只存在一個平行宇宙。2016年,在南極探測到了一個高能粒子。它並非來自太空,而是從地面向上飛出。兩年後再次觀測到了這一現象。一種解釋是,這個粒子可能來自與我們的宇宙同時誕生的平行宇宙,但它沿著時間反向運動。

  宇宙會何時終結?

  在發現能加速宇宙膨脹的暗能量之前,宇宙的未來主要取決於它的幾何。宇宙要麼是閉合的,會在“大擠壓”中坍縮;要麼是開放的,會永遠膨脹。

  然而,由於暗能量的存在,宇宙學標準模型認為宇宙是平直的並將永遠膨脹下去。如果宇宙學常數是暗能量,即它不會隨時間變化,宇宙的膨脹速率最終會恒定,使星系團彼此離得更遠。在這種情況下,人類將在宇宙中孤獨地生存。這也被稱為宇宙熱寂,或者大凍結。最終,所有的恒星都會死亡,黑洞會越來越大,宇宙中剩下的物質將會趨於熱平衡。沒有溫度差,能量就無法流動。宇宙將逐漸進入一種衰老狀態,最終什麼事情都不會發生。

  另一種可能是大撕裂。在這種情況下,暗能量會持續增強,導致宇宙不斷加速膨脹。這時,暗能量會超過束縛天體的引力,即便是星系這樣的引力系統也會被撕裂開。

  那麼到底是哪種結局,只有認識了暗能量的本質後才能知曉。

  不過,別高興得太早,有一種方法能讓宇宙在明天就終結。根據弦理論,存在一個有著不同物理定律多重宇宙的巨大圖景。於是,通過量子隧穿效應,我們的宇宙會突然變成具有不同性質的另一個宇宙,其自然常數甚至物理學定律都會和已知的截然不同。由於原子的結構依賴於自然力之間的微妙平衡,一旦被打破,原子就會瞬間瓦解。如果在明天下午發生了這一相變,人們幾乎不會注意到它。眨眼之間,一切就結束了。

  因此,宇宙學家面臨的終極問題也許是,是否能在量子湮滅發生之前弄清楚宇宙學標準模型正確與否。

  -本文作者斯圖爾特·克拉克(Stuart Clark)是《新科學家》顧問-

  資料來源:

  The state of the universe(New Scientist)

  來源:世界科學

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