宇宙：从开始到最后

　　宇宙的形成和演变

　　宇宙是由空间、时间、物质和能量所构成的统一。随着文明的进步和科技的发展，我们对宇宙的认识也慢慢地步入了正轨，至少得到了部分的证实。公元2世纪，托勒密提出了一个完整的地心说；1543年，哥白尼提出了日心说；1609年，开普勒发展了日心说，伽利略则用望远镜从事实的角度证实了其正确性。

　　宇宙是一个有层次结构的、物质形态多样性的、不断运动发展的天体系统，这是当代天文学的研究成果。关于宇宙的形成，首先映入脑海的肯定是大爆炸理论：大爆炸模型认为，最初的宇宙是超高温、高密度的一点。大约180亿年前，这一点突然爆炸了，仅用了10—36秒，这一点进行了几十个数量级的膨胀。形成了一厘米规模的宇宙，之后经过漫长的演变，形成了今天的宇宙。而爱因斯坦广义相对论也预言了：空间——时间在大爆炸奇点处开始，并在大挤压奇点处或在黑洞中的一个奇点中结束。

　　大爆炸理论也验证了我们思想家的直觉，正如柏拉图的“从一发散”以及《道德经》中“一生二，二生三，三生万物”的观点，宇宙大爆炸伊始，只有能量，而这里的“一”便是能量。

　　关于宇宙加速膨胀

　　科学家哈勃在1929年测试到宇宙在膨胀。他是通过衡量星系之间的距离以及这些星系以多快的速度在离我们远去而得出这一结论的。今天，科学家也在衡量这些距离，研究超新星。他们做的实验和哈勃从事的是一样的，但是，他们测量的是非常遥远的星体。因为是类似的实验，他们在比较现在的实验结果和之前的实验结果后，发现了宇宙的膨胀在加速。

　　此前，天体物理学家曾经普遍认为，引力会使宇宙的膨胀速度逐渐减缓。但在1998年，我所带领的高红移超新星搜索队与超新星宇宙学计划这两个研究团队，分别发现宇宙膨胀的速度并非如预期一样减缓或是停滞，而是正在加速。我们本来以为，自己会发现宇宙膨胀正在减速的迹象，这种减速将决定宇宙会终结于烈火还是寒冰。结果，发现了完全相反的事实——宇宙膨胀正在加速。

　　科学家们说，宇宙还会继续加速膨胀，至少现在人类还没有任何方式可以阻止这一趋势。宇宙越膨胀，暗能量越多，暗能量将和宇宙一起并跑，这样宇宙膨胀会越来越快，以至于使得光子无法从星系抵达地球，我们在遥远的未来再看宇宙时，它完全是空的。因为我们能够看得到的都已经膨胀了，光的速度已无力可追及。

　　为了解释这个令人困惑的现象，天文学家导入了“暗能量”概念。这种未知形式的能量可以抵抗重力并让宇宙加速膨胀。除非暗能量突然消失，否则宇宙将继续越来越快地膨胀下去，最终走向消散。1000亿年后，如果人类还存在的话，将会比现在更加孤独。到时，我们的银河系还会在，并且和一些附近的星系合并，但是其他所有我们今天能看到的宇宙天体都会离我们太远而无法观测到。也就是说，除了我们自身所在的星系，所有的星系都将消失。

　　研究的测量方法

　　我们原本是想测量到宇宙减速膨胀，试图测量出宇宙膨胀的速度是如何减慢的。采用的方法，从原理上讲，跟60多年前天文学家所用的方法是一样的——那就是给遥远的恒星定位，并测量它们如何运动。然而，说起来容易做起来难。自汉丽埃塔.勒维特发现造父变星的秘密以来，天文学家在越来越远的距离上找到了许多其他的造父变星。但在天文学家所要测量的距离上，即数十亿光年以外，造父变星已经无法看见。宇宙标尺必须延长才行。

　　超新星，也就是恒星的爆炸，成了新的标准烛光。地面和太空中越来越先进的望远镜，以及越来越强大的计算机，在20世纪90年代开启了全新的可能性，让我们有能力为宇宙学拼图填上更多空缺的内容。

　　这条研究道路上存在太多潜在的陷阱，事实上令这些科学家能够放下心来的原因在于我们得出了惊人但却相同的结果：总的来说，我们发现了大约50颗遥远的超新星，它们的星光似乎比预期的要暗。通常认为，这些正在爆炸的星体具有相同的发光度，通过测定发光度可以推算出这些超新星的距离。但研究结果出乎预料，这些超新星的发光度要小于按照原先给定的宇宙膨胀速率计算出的数值，这说明超新星离地球的距离要比想象的远，也说明宇宙在“暗能量”的影响下正在加速膨胀。我们的发现第一次提出了“暗能量”存在的令人信服的证据。这一结果与科学家事先的预期完全相反。如果宇宙膨胀越来越慢的话，超新星应该显得更亮才对。然而，随着超新星被所在星系裹挟着，以越来越快的速度相互远离，它们的亮度也会越来越暗。于是我们得出令人意外的结论：宇宙膨胀非但没有越来越慢，反而恰恰相反——宇宙膨胀在加速。

　　宇宙：“暗能量”无所不在超过50个远距离的超新星所发出的光芒，比预想中的弱，这是宇宙加速扩张的迹象。加速扩张的状态据悉是由于暗能量驱动的，这是宇宙中最大的谜题。宇宙膨胀的这种加速度暗示，在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下，宇宙正在分崩离析。这种所谓的“暗能量”占据了宇宙成分的绝大部分，含量超过70%。今天，我们人类认为我们身边的世界已经很广大了；但实际上，我们所生活的空间，可见的物质和原子，在宇宙中仅占4.5%。我们生活的地球，也只是银河系中一颗小小的星星，在银河系中，有上兆以上这样的星星，而在这些之外是更加广阔的空间，这些空间是由“暗能量”和“暗物质”构成的。

　　“暗能量”是什么？科学家们最好的一种猜想是：它们是宇宙本身的一部分。科学家经过检测得出结论，“暗物质”不是一种东西。“暗物质”有它本身的重力，就像原子一样，由于各种原因，它们不和其他物质相互影响，它们在穿越地球时就像在旅行。科学家们怀疑它们是一种尚未被发现的粒子。

　　“暗能量”和“暗物质”没有明显的联系。目前科学家们发现它们最明显的联系是：每一块暗物质中，有三块暗能量，它们在宇宙中无处不在，非常普遍。我们并不知道暗能量是如何形成的。它好像是宇宙自身结构的一部分：暗能量产生更多的宇宙空间，更多的宇宙空间又产生了更多的暗能量，更多的暗能量又产生更多的宇宙空间。宇宙就是因为它而四散消失。

　　不管暗能量是什么，它似乎都会继续长期存在下去。它与物理学家和天文学家研究了很长时间的宇宙学谜题符合得非常完美。按照现在公认的观点，宇宙大约有3/4 由暗能量构成。剩余的是物质。但普通物质，也就是构成星系、恒星、人类和花花草草的东西，只占宇宙成分的5%。其他物质被称为暗物质，至今仍在跟我们“躲猫猫”。

　　暗物质是宇宙中另一个迄今未解的谜题。与暗能量一样，暗物质也是不可见的。对于这两样东西，我们只知道它们发挥的作用——一个是推，另一个是拉。

　　人在宇宙中的地位

　　银河系不是宇宙的中心，太阳系不是银河系的中心，地球不是太阳系的中心，而人类只不过是宇宙中无足轻重的尘埃。这些都是科学真理，是生活在地球上的人类探索出来的。好奇是人类的天性，理解是一种乐趣，知识是生存的先决条件。只有那些敢于探索宇宙真面目的人，才能洞察宇宙的奥秘。人类的未来取决于我们对宇宙的了解程度，努力吧！

　　布莱恩·施密特（Brian Schmidt）