从地球上看,夜空看起来相当静态。当然,星星从傍晚到傍晚都在旋转,行星在它们之间移动。但从地球的角度来看,天球似乎基本上是不变的。
然而,感知并非现实:我们的眼球并没有暗示,在附近的行星、恒星和星系之外,一切都在远离我们。宇宙正在不断膨胀——而且速度越来越快。
杜克大学物理学副教授丹·斯科尔尼克研究宇宙的增长,他说:“当我们说宇宙正在膨胀时,我们的意思是字面意义上的膨胀。” “我认为这与人们通常的想法有点不同。但我们的意思是,物体,特别是其他星系,与我们的距离正在增加。”
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科学家们目前尚不清楚这种膨胀是否会无限期地持续下去,或者,如果会,它是否会保持无限加速。宇宙的最终状态——是会膨胀得如此之快以至于自我撕裂,还是会继续平静地扩大和冷却,还是最终会逆转并向内收缩——将由暗物质、暗能量以及宇宙中普通物质和能量的平衡来决定。这两个未知的,或黑暗的部分,构成了宇宙的 95%,它们的本质仍然让科学家们捉摸不透,他们不知道这些组成部分对宇宙生命故事的贡献可能会如何随时间变化。
大约 100 年来,科学家们已经了解了宇宙膨胀,并且知道这是大爆炸的后果——当时宇宙中所有的物质和能量都从一个单一的、稠密的、炽热的点爆炸出来(尽管这是一个不完美的比喻)并向外扩散,随着它们的移动而扩张空间本身。科学家们预计,随着宇宙年龄的增长,这种膨胀会减慢;物质碎片之间的引力会起到刹车的作用。这是真的——有一段时间。但这并不是故事的结局。
从我们存在的黎明到今天,人类似乎都生活在宇宙时代,在这个时代,膨胀的减速变成了加速。天文学家已经探测到这种转变,尽管这花了他们一段时间。“到上个世纪末[具体来说,是 1998 年],我们开始意识到宇宙不仅仅是在膨胀,”斯科尔尼克说。“它正在加速膨胀。”
对加速的原因的解释有些令人不满意。它是由“暗能量”的存在引起的,这个术语描述了正在发生的事情,但没有说明原因。芝加哥大学天文与天体物理学教授温迪·弗里德曼说:“我们仍然不理解基本物理层面上的东西。” “是什么导致了这种加速?”
暗能量渗透到宇宙的空旷部分——真空。无论“它”是什么,它都施加一种排斥力,将所有事物推开并与引力拉锯。“空间越多,事物就越被推开,”斯科尔尼克说,“这意味着宇宙将越来越快地膨胀,事物将越来越快地被推开。”
为了理解宇宙膨胀现在的样子,科学家们可以观察天文信号来测量所谓的哈勃常数。这个数字代表了宇宙当前的膨胀率。
科学家们有几种方法可以找到这个数字。这些方法包括观察遥远星系中的超新星和变星,并测量它们后退的速度以及它们离我们有多远。弗里德曼在 1990 年代领导了一个名为哈勃太空望远镜关键项目的合作,该项目比以往任何人都更精确地计算了哈勃常数。
但在最近几年,天文学家发现,该计算结果——以及包括斯科尔尼克的小组超新星 H0 状态方程 (SH0ES) 在内的不同团队的结果——与基于宇宙早期数据计算出的哈勃常数不符,早于超新星和变星的诞生。
这种不匹配被称为“哈勃张力”。这可能指向研究人员获取或解释数据的方式存在问题——或者这可能是宇宙在向科学家尖叫,他们不了解它的演化,这将意味着他们也无法预测它的命运。“如果这是一个真正的分歧,那真的很重要,”弗里德曼说。“因为它表明存在我们不了解的物理学。”
斯科尔尼克说,长期以来,科学家们对宇宙的膨胀——以及与其相关的暗物质、暗能量以及轻物质和能量——有一个有道理的故事。但现在,他说,这个叙述不太符合。“是什么让我们到达这个地方的故事,然后将决定我们的最终命运——宇宙如何持续增长,持续变化,”他继续说道。为了了解故事的真正结局,科学家们可能需要修改中间章节。
如果物理学家对宇宙如何运作的基本图景是正确的,我们将会迎来大冻结:宇宙将保持适度加速膨胀,物质将扩散开来,恒星将会死亡,新的恒星将无法形成,空间将随着呜咽声而变得黑暗和寒冷。
另一方面,如果暗能量的工作方式与我们假设的不同,我们可能会走向另一个结局。例如,如果它的强度随时间变化并在宇宙进程中变得更强,我们将会迎来大撕裂:宇宙将膨胀得足够快以至于自我撕裂。“无论如何,对最初问题的回答是,是的,你将永远膨胀,”斯科尔尼克说。“这只是一个关于暴力程度的问题。”
但并非所有人都同意。普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯坦哈特说,理论化的暗能量形式可能会以不同的方式随时间变化。“它从导致宇宙加速膨胀到最终减缓膨胀,再到最终减缓到停止,然后开始收缩,”他说。这被称为大坍缩。在斯坦哈特正在研究的一些宇宙学模型中,收缩可能会转回膨胀,并产生一种循环宇宙。
正如所有这些可能性所表明的那样,要点是没人能确定。“我们已经失去了那种可预测性,”弗里德曼说。
不过,她希望新的詹姆斯·韦伯太空望远镜可能会提供一些答案,因为它能够比过去的仪器看得更远、更好。“我认为科学就是这样发展的,”弗里德曼说。“我们还不明白发生了什么。有时这需要很长时间。”