趙崢

弗利德曼和勒梅特的宇宙模型都指出，宇宙未來的演化有3種可能性，如圖1所示。圖中橫坐標f表示時間，縱坐標a（f）是宇宙的尺度因子。粗略地說，a（f）反映宇宙三維空間的尺度大小。

一種情況，宇宙是脈動型的，膨脹到一定程度會轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s。這種宇宙的三維空間曲率K是正的，體積是有限的，是有限無邊的宇宙。在有限無邊這一點上，脈動宇宙與愛因斯坦的靜態(tài)宇宙是一樣的，只不過脈動的宇宙在動，靜態(tài)宇宙則不隨時間變化。

脈動的宇宙在轉(zhuǎn)化為收縮后，體積會越來越小，溫度會越來越高，重新化為核火球。目前，比較流行的看法是，脈動宇宙在收縮到一定程度時會發(fā)生“反彈”，再次轉(zhuǎn)入膨脹。所以，這樣的宇宙會不斷脹縮交替，像脈搏跳動一樣，這就是稱它為脈動宇宙的原因。

弗利德曼和勒梅特得到的第二類和第三類宇宙模型都不會轉(zhuǎn)化為收縮，都將永遠膨脹下去，溫度會越來越低，趨向絕對零度。這兩類宇宙三維空間的體積都是無窮大。不同的是，其中一種的空間曲率K為零，也就是說三維空間是平直的，是平直的無限無邊的宇宙。另一種的空間曲率K為負，即三維空間的曲率是負的，是負曲率的無限無邊的宇宙。

讓人特別難以理解的是，這兩種無限無邊的宇宙，從誕生的那一刻起，空間就是無限大的。這兩種模型描述的膨脹，都是無限大的三維空間的膨脹。這一點和脈動宇宙完全不同，脈動宇宙誕生時三維體積可能無限小，然后逐漸脹大，達到極大值后轉(zhuǎn)化為收縮，體積越來越小，最后可能趨于無窮小，也可能在達到無窮小之前宇宙就會發(fā)生“反彈”，體積重新增大。究竟是達到“無窮小”還是發(fā)生“反彈”，目前學術界存在爭議。

不管宇宙將來會如何，會永遠膨脹還是脈動收縮，我們今天的宇宙無疑都處在膨脹過程中。天文觀測和哈勃定律都支持當前宇宙正在膨脹的觀點，在學術界沒有爭議。

然而，人們還是想知道，我們的宇宙未來會按哪種模式運行，是永遠膨脹還是會轉(zhuǎn)化為收縮。前面已談到，這一問題和我們所處的三維空間究竟有限還是無限是聯(lián)系在一起的。有限無邊的宇宙是脈動的，無限無邊的宇宙是永遠膨脹的。

科學家們發(fā)現(xiàn)，宇宙究竟屬于哪一種，取決于宇宙中的物質(zhì)密度。物質(zhì)密度越大，萬有引力的吸引效應就越強，這種吸引效應會使宇宙膨脹不斷減速，密度越過一個臨界密度時，吸引效應就會最終使宇宙的膨脹轉(zhuǎn)化為收縮。

研究表明，如果當前宇宙中物質(zhì)的密度大于臨界密度，那么可以斷定我們的三維空間曲率為正，空間是有限無邊的，宇宙未來會從膨脹轉(zhuǎn)化為收縮，也就是說我們的宇宙是脈動的宇宙；如果宇宙中物質(zhì)的密度等于臨界密度，則可以斷定我們所處的三維空間曲率為零，空間是平直的，無限無邊的，我們的宇宙將永遠膨脹下去；如果宇宙中物質(zhì)的密度小于臨界密度，三維空間曲率為負，空間也是無限無邊的，宇宙同樣將永遠膨脹下去。

計算得到的臨界密度大約等于每立方米3個氫原子。觀測表明，我們宇宙的物質(zhì)密度只有每立方米0.3個氫原子，遠小于臨界密度。這方面的觀測資料支持我們的宇宙會永遠膨脹的設想。不過，這種膨脹是減速膨脹，也就是說，我們宇宙的膨脹速度會越來越慢。

然而近年來的天文觀測得出一個驚人的發(fā)現(xiàn)：宇宙的膨脹正在加速。天文學家們發(fā)現(xiàn)，大約在60億年前，宇宙的膨脹從減速膨脹變成了加速膨脹。這是怎么回事呢？

這一發(fā)現(xiàn)來自對Ia型超新星的觀測。超新星爆發(fā)是大質(zhì)量恒星演化到晚期出現(xiàn)的一場猛烈爆炸，它在1天里發(fā)出的光相當于太陽在1億年里發(fā)出的光，所以超新星很亮，遙遠星系中的超新星爆發(fā)我們都能看到。研究表明，質(zhì)量大于七八個太陽質(zhì)量的恒星，演化到晚期，如果還能剩余較多的質(zhì)量，就有可能變成超新星。天文學家建議用Ia型超新星的絕對亮度和視亮度（我們觀測到的亮度）作比較，從而判定這顆超新星所在的星系離我們的遠近。他們用這一方法重新確定了這些星系到地球的距離。把新得到的距離和紅移作比較，得出了我們的宇宙正在作加速膨脹的結(jié)論。這一結(jié)論目前已經(jīng)被絕大多數(shù)學者所接受。

宇宙怎么會加速膨脹呢？膨脹的動力來自什么呢？

天文學家早就發(fā)現(xiàn)，用牛頓第二定律和萬有引力定律解釋銀河系的旋轉(zhuǎn)運動有困難。人們看到，整個銀盤圍繞銀心轉(zhuǎn)動，盤上恒星受到的向心力應該與它圍繞銀心轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的慣性離心力平衡，二者相等才能維持穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)。向心力應該是銀心物質(zhì)施與的萬有引力，但從天文觀測得出的銀心質(zhì)量不足以產(chǎn)生如此大的萬有引力。而且，從銀盤上離銀心遠近不同的恒星的轉(zhuǎn)速分別算出的離心力，也不支持銀河系的主要質(zhì)量完全集中于銀心的假設。

于是天文學家們猜測可能存在一種暗物質(zhì)。這種物質(zhì)很奇怪，它不參加電磁相互作用，因而既不發(fā)光，也不擋光，但產(chǎn)生萬有引力。暗物質(zhì)與我們觀察到的可見物質(zhì)不同，并不集中于銀心，而是呈暈狀分布。假設銀河系中存在大量暗物質(zhì)，就可以解釋銀盤上恒星的轉(zhuǎn)動規(guī)律了。

應該強調(diào)的是，暗物質(zhì)不是氣體、塵埃，氣體在光的照射下自身會發(fā)光，大量的氣體和塵埃還會擋光，我們能通過觀測發(fā)現(xiàn)它們。暗物質(zhì)也不是黑洞，黑洞的存在會對光的傳播產(chǎn)生影響。暗物質(zhì)就像玻璃一樣，對光完全透明。為了把氣體、塵埃、黑洞等不發(fā)光的物質(zhì)與暗物質(zhì)明確分開，有時又把暗物質(zhì)稱為“冷暗物質(zhì)”，不過通常仍簡稱為暗物質(zhì)。

近年來，為了解釋宇宙的加速膨脹，科學家們又設想宇宙間存在另一種奇怪的物質(zhì)——暗能量。暗能量與暗物質(zhì)有一點類似，就是它也不參加電磁相互作用，因而也不發(fā)光、不擋光，也是透明的。但它與普通物質(zhì)和暗物質(zhì)都不同，壓強是負的，表現(xiàn)出“負的引力效應”——排斥效應，因而能促使宇宙膨脹加速。

科學家們認為宇宙中均勻地存在著暗能量，密度不但各處相同，而且不隨時間變化。也就是說，隨著宇宙膨脹，宇宙空間體積的脹大，會不斷有暗能量從虛無中產(chǎn)生出來，使其密度保持不變。這一點和普通物質(zhì)與暗物質(zhì)也不同。

普通物質(zhì)與暗物質(zhì)是成團分布的，它們的空間密度在小尺度（宇觀尺度以下）上并不均勻。而且，除去宇宙極早期的一段時間之外，在宇宙膨脹過程中不再有普通物質(zhì)和暗物質(zhì)從真空中產(chǎn)生，所以它們的密度在宇宙膨脹過程中會隨著宇宙體積的增大而減小。

科學家們認為，宇宙中的暗物質(zhì)和暗能量遠多于普通物質(zhì)，在今天的宇宙中，它們所占的比例大致如圖2所示。

表中的冷暗物質(zhì)就是我們目前科學界談論的暗物質(zhì)，它究竟是什么東西，目前不清楚，人們設想了許多模型對它進行猜測。暗能量究竟是什么，也不清楚。許多粒子物理學家想出了各種奇奇怪怪的暗能量成分，但都不能得到天文觀測的支持。另一種可能是，在宇觀范圍內(nèi)廣義相對論需要做大的修改，相對論專家也設想了多種方案，但同樣未得到觀測支持。

最有可能的是，所謂暗能量并不存在，宇宙膨脹加速是宇宙項的排斥效應造成的。這就是說，廣義相對論的基本方程——場方程中還是應該含宇宙項，愛因斯坦認為他一生所犯的最大錯誤（引進宇宙項）其實很可能并不是錯誤。

關于暗物質(zhì)與暗能量的討論仍在繼續(xù)。endprint