一百年前，一篇关于宇宙历史和大规模结构的《大众科学》文章几乎完全是错误的。1908年，科学家们认为我们的星系构成了整个宇宙。他们认为它是一个“岛屿宇宙”，一个被无限虚空包围的孤立星团。我们现在知道，我们的星系是可观测宇宙中超过4000亿个星系之一。1908年，科学界的共识是宇宙是静态和永恒的。宇宙起源于炽热大爆炸的想法甚至连影子都没有。大爆炸最初几分钟和恒星核心内部的元素合成也不为人所知。空间膨胀及其对物质的可能曲率也未曾有人梦想过。认识到整个空间都沐浴在辐射中，提供了创世冷却余辉的幽灵般的图像，这将不得不等待现代技术的发展，这些技术的设计目的不是探索永恒，而是让人类可以打电话回家。
很难想到在过去一个世纪中，有哪个智力探索领域比宇宙学变化更大，这种转变改变了我们看待世界的方式。但是，未来的科学是否必须总是反映比过去更多的经验知识？我们最近的工作表明，从宇宙的时间尺度来看，答案是否定的。我们可能正生活在宇宙历史上唯一一个科学家能够准确理解宇宙真实本质的时代。
大约十年前的一项引人注目的发现激发了我们的研究。两个不同的天文学家小组追踪了过去五十亿年宇宙的膨胀，发现宇宙似乎正在加速膨胀。这种宇宙反引力的来源被认为是与空空间相关的某种新形式的“暗能量”。一些理论家，包括我们中的一位（克劳斯），实际上已经根据间接测量预料到了这一新结果，但在物理学中，直接观测才是最重要的。宇宙的加速膨胀意味着空空间包含的能量几乎是今天我们观测到的所有宇宙结构（星系、星系团和超星系团）的三倍。具有讽刺意味的是，阿尔伯特·爱因斯坦最初假设了这样一种能量形式来保持宇宙静态。他称之为宇宙常数[参见劳伦斯·M·克劳斯的“宇宙反引力”；《大众科学》，1999年1月]。
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暗能量将对宇宙的未来产生巨大影响。克劳斯与凯斯西储大学的宇宙学家格伦·斯塔克曼一起探讨了宇宙常数对宇宙中生命命运的影响。预后：不佳。这样的宇宙会变成一个非常不适宜居住的地方。宇宙常数产生了一个固定的“事件视界”，这是一个假想的表面，超出这个表面，任何物质或辐射都无法到达我们。宇宙开始类似于一个内外颠倒的黑洞，物质和辐射被困在视界之外，而不是内部。这一发现意味着可观测宇宙只包含有限的信息量，因此信息处理（和生命）无法永远持续下去[参见劳伦斯·M·克劳斯和格伦·D·斯塔克曼的“宇宙中生命的命运”；《大众科学》，1999年11月]。
早在信息限制成为问题之前，宇宙中所有膨胀的物质都将被驱动到事件视界之外。哈佛大学的亚伯拉罕·勒布和长峰健太郎（当时都在哈佛大学）研究了这一过程，他们发现我们所谓的本星系群（银河系、仙女座星系和一群环绕的矮星系）将坍缩成一个巨大的恒星超星系团。所有其他星系都将消失在事件视界之外的遗忘之中。这个过程大约需要1000亿年，这看起来很长，但与永恒的荒野相比，还是相当短暂的。
坍塌的支柱
遥远未来的天文学家，生活在这个超星系团中，将如何总结宇宙的历史？要思考这个问题，回顾一下我们目前对大爆炸理解所依据的支柱。
第一个是爱因斯坦的广义相对论。在近300年的时间里，牛顿的万有引力理论一直是几乎所有天文学的基础。牛顿的理论在预测从地球到银河系尺度上的物体运动方面做得非常出色，但它完全无法处理无限大的物质集合。广义相对论克服了这一局限性。在爱因斯坦于1916年发表该理论后不久，荷兰物理学家威廉·德西特为一个简化的宇宙解决了广义相对论方程，该宇宙包含了爱因斯坦的宇宙常数。德西特的工作似乎重现了当时流行的宇宙观：一个嵌入在广阔空旷、静态虚空中的岛屿星系。
宇宙学家很快意识到这种静态是一种误解。事实上，德西特宇宙是永恒膨胀的。正如比利时物理学家乔治·勒梅特后来明确指出的那样，爱因斯坦的方程预测，无限、均匀、静态的宇宙是不可能的。宇宙必须膨胀或收缩。从这个认识出发，大爆炸理论，正如后来所称的那样，诞生了。
下一个支柱出现在20世纪20年代，当时天文学家探测到宇宙的膨胀。第一个为膨胀提供观测证据的人是美国天文学家维斯托·斯莱弗，他使用恒星光谱来测量附近星系的速度。来自朝地球移动的恒星的光波被压缩，缩短了波长，使光线变蓝。来自远离我们的物体的光波被拉伸，使波长更长，光线变红。通过测量来自遥远星系的光波的拉伸或压缩，斯莱弗能够确定它们是朝我们移动还是远离我们，以及速度是多少。（当时，天文学家甚至不确定我们称之为“星系”的模糊光斑实际上是独立的恒星集合，还是仅仅是我们自己星系内部的气体云。）斯莱弗发现几乎所有这些星系都在远离我们。我们似乎正坐在失控膨胀的中心。
通常被认为发现宇宙膨胀的人不是斯莱弗，而是美国天文学家埃德温·哈勃。（你上次读到关于斯莱弗太空望远镜是什么时候？）哈勃不仅确定了附近星系的速度，还确定了它们的距离。他的测量得出了两个结论，证明了他的名声是当之无愧的。首先，哈勃表明，星系非常遥远，以至于它们确实是独立的恒星集合，就像我们自己的星系一样。其次，他发现了星系距离和速度之间的简单关系。速度与到我们的距离成正比：一个星系比另一个星系远两倍，移动速度也快两倍。距离和速度之间的这种关系正是宇宙膨胀时发生的情况。哈勃的测量结果此后得到了改进，最近一次是通过对遥远超新星的观测，从而发现了暗能量。
第三个支柱是宇宙微波背景的微弱光芒，这是贝尔实验室物理学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在追踪无线电干扰源时偶然发现的。这种辐射很快被认为是宇宙早期膨胀阶段遗留下来的遗迹。它表明宇宙开始时是高温高密的，此后逐渐冷却和稀疏。
大爆炸的最后一个观测支柱是，高温高密的早期宇宙是核聚变的理想场所。当宇宙的温度为十亿到一百亿开尔文时，较轻的原子核可以聚变成较重的原子核，这一过程被称为大爆炸核合成。这个过程只能持续几分钟，因为宇宙膨胀和冷却，所以聚变仅限于最轻的元素。宇宙中大部分氦是在那时产生的，氘或重氢也是如此。氦和氘的测量丰度与大爆炸核合成的预测相符，为该理论提供了进一步的证据，并准确估计了宇宙中质子和中子的丰度。
黑暗的天空
未来的科学家在1000亿年后仰望天空时会看到什么？如果没有望远镜，他们将看到与我们今天看到的几乎相同的东西：我们星系的恒星。最大和最亮的恒星将燃尽它们的核燃料，但许多较小的恒星仍将照亮夜空。当这些未来的科学家建造能够探测我们星系之外的星系的望远镜时，将会发生巨大的变化。他们将看不到任何星系！附近的星系将与银河系合并形成一个巨大的星系，并且几乎所有其他星系都将早已消失，逃逸到事件视界之外。
遥远星系的消失不是立即的，而是渐进的。当这些星系接近视界时，它们的红移变得无限大。克劳斯和斯塔克曼计算出，到1000亿年后，所有星系的红移都将超过5000，到10万亿年后将上升到难以想象的1053——届时，即使是最高能量的宇宙射线也会发生如此大的红移，以至于它们的波长将大于视界尺寸。届时，这些物体将对我们来说真正且完全不可见。
结果，哈勃关于宇宙膨胀的关键发现将变得不可重现。宇宙中所有膨胀的物质都将在视觉上消失在视界之外，剩下的所有物质都将是一个引力束缚的恒星团的一部分。对于这些未来的天文学家来说，可观测宇宙将非常类似于1908年的“岛屿宇宙”：一个巨大的恒星集合，静态且永恒，被空空间包围。
我们自己的经验表明，即使我们有数据，正确的宇宙学模型也不是那么明显。例如，从20世纪40年代到60年代中期，在观测宇宙学的殿堂仅建立在哈勃发现宇宙膨胀的基础上时，一些天体物理学家复活了永恒宇宙的思想：稳态宇宙，其中物质随着宇宙膨胀而产生，因此宇宙作为一个整体并没有真正随时间变化。这个想法被证明是一个智力上的死胡同，但它确实证明了在缺乏足够的观测数据的情况下可能产生的错误概念。
未来的天文学家还可能在哪里寻找大爆炸的证据？宇宙微波背景会让他们探测宇宙的动力学吗？唉，不会。随着宇宙膨胀，背景辐射的波长拉伸，辐射变得更加扩散。当宇宙达到1000亿年时，微波辐射的峰值波长将达到米级，对应于无线电波而不是微波。辐射强度将被稀释一万亿倍，并且可能永远不会被看到。
在更远的未来，宇宙背景将变得真正无法观测。我们星系中恒星之间的空间充满了电子的电离气体。低频无线电波无法穿透这种气体；它们被吸收或反射。类似的效果是，调幅广播电台在夜间可以在远离其原籍城市的地方接收到；无线电波从电离层反射下来，回到地面。星际介质可以被认为是一个巨大的电离层，充满了星系。任何频率低于约一千赫兹（波长大于300公里）的无线电波都无法穿透我们的星系。低于一千赫兹的射电天文学在我们星系内部永远不可能实现。当宇宙的年龄约为现在的25倍时，微波背景将被拉伸到超出此波长，并且对星系的居民来说变得无法探测。甚至在那之前，这种背景辐射中的微妙模式，这些模式为今天的宇宙学家提供了如此多的有用信息，也将变得过于微弱而无法研究。
燃尽
对化学元素丰度的观测是否会让遥远未来的宇宙学家了解大爆炸？再次，答案很可能是否定的。问题在于，我们探测大爆炸核合成的能力取决于氘和氦的丰度自140亿年前产生以来没有发生太大变化的事实。例如，早期宇宙中产生的氦占物质总量的约24%。尽管恒星在聚变反应过程中产生氦，但它们将这种丰度增加的幅度不超过几个百分点。密歇根大学安娜堡分校的天文学家弗雷德·亚当斯和格雷戈里·劳克林认为，经过许多代恒星之后，这个比例可能会增加到高达60%。遥远未来的观察者会发现原始氦被后来几代恒星产生的氦淹没。
目前，对大爆炸核合成最清晰的探测是氘的丰度。我们对原始氘丰度的最佳测量来自对类星体背光下的氢云的观测，类星体是被认为由黑洞驱动的极其遥远和明亮的信标。然而，在宇宙的遥远未来，这些氢云和类星体都将越过事件视界，永远消失在视野中。只有银河系氘可能是可观测的。但是恒星会破坏氘，几乎没有氘能存活下来。即使未来的天文学家观测到氘，他们也可能不会将其归因于大爆炸。涉及高能宇宙射线的核反应（今天已被研究为至少是某些观测到的氘的可能来源）可能看起来更合理。
尽管轻元素的观测丰度不会为炽热的大爆炸提供任何直接证据，但它仍然会使未来宇宙学的一个方面与一个世纪前的虚幻宇宙学不同。发展核物理学理解的天文学家和物理学家将正确地得出结论，恒星燃烧核燃料。如果他们随后（错误地）得出结论，他们观察到的所有氦都是在早期几代恒星中产生的，他们将能够对宇宙的年龄设定上限。因此，这些科学家将正确地推断出他们的银河系宇宙不是永恒的，而是有一个有限的年龄。然而，他们观察到的物质的起源仍然笼罩在神秘之中。
我们以本文开头提出的观点，即爱因斯坦的相对论预测了一个膨胀的宇宙，因此预测了大爆炸，又如何呢？遥远未来的宇宙居民应该能够从他们自己太阳系中引力的精确测量中发现广义相对论。然而，使用这个理论来推断大爆炸，取决于关于宇宙大尺度结构的观测。只有当宇宙是均匀的时，爱因斯坦的理论才预测宇宙会膨胀。我们的后代调查的宇宙将绝不是均匀的。它将由一个嵌入在广阔空虚中的恒星岛屿组成。事实上，它将类似于德西特的岛屿宇宙。可观测宇宙的最终未来是坍缩成黑洞，这正是我们的星系在遥远未来将实际发生的情况。
孤独的虚空 难道我们的后代就完全无法感知到膨胀的宇宙了吗？至少根据我们目前对广义相对论的理解，加速的一个明显的效应确实会保留在我们的观测视界内。正如黑洞的事件视界会发出辐射一样，我们的宇宙学事件视界也会发出辐射。然而，与这种辐射相关的温度小得无法测量，约为10-30开尔文。即使天文学家能够探测到它，他们也可能会将其归因于其他更大的局部噪声源。
雄心勃勃的未来观测者也可能发射探测器，使其逃逸出超星系，并可以作为探测可能的宇宙膨胀的参考点。他们是否会想到这样做似乎不太可能，但无论如何，探测器至少需要数十亿年的时间才能到达膨胀明显影响其速度的点，并且探测器需要相当于恒星的能量输出来从如此遥远的距离与建造者进行通信。如果以我们自己的经验为指导，未来的科学资助机构不太可能支持这种大海捞针式的尝试。
因此，未来的观测者可能会预测宇宙最终以局部的“大挤压”结束，而不是宇宙常数产生的永恒膨胀。他们有限的宇宙将以一声巨响而不是呜咽声结束。
我们被不可避免地导向一个非常奇怪的结论。智能观察者可以推断出我们膨胀宇宙的真实本质的窗口可能非常短暂。一些文明可能会保留深刻的历史档案，而这篇文章很可能会出现在其中——如果它能在数十亿年的战争、超新星、黑洞和无数其他危险中幸存下来。他们是否会相信是另一个问题。缺乏此类档案的文明可能注定永远对大爆炸一无所知。
为什么现在的宇宙如此特别？许多研究人员试图论证，生命的存在提供了一种选择效应，可以解释与当前时间相关的巧合[参见乔治·盖尔的“人择原理”；《大众科学》，1981年12月]。我们从我们的工作中吸取了不同的教训。
首先，这很可能不是第一次由于加速膨胀而导致有关宇宙的信息丢失。如果在极早期宇宙中发生过暴胀时期，那么这个时代的快速膨胀将几乎所有先前存在的物质和能量的细节都从我们现在的可观测宇宙中驱逐出去。事实上，暴胀模型的最初动机之一就是为了摆脱宇宙中讨厌的宇宙学物体，例如磁单极子，这些物体可能曾经大量存在。
更重要的是，尽管我们确实很幸运地生活在一个大爆炸的观测支柱都可以探测到的时代，但我们可以很容易地设想，宇宙的其他基本方面在今天是无法观测到的。我们已经失去了什么？与其沾沾自喜，不如感到谦卑。也许有一天我们会发现，我们目前对宇宙的仔细而看似完整的理解是严重不足的。