每到夏天,我记得小时候就喜欢在自家院子里,打个地铺或简单铺个凉席,躺在地上仰望星空,那时候不知道看什么,只觉得天上的星星真的好多!现在城市里已经没有小时候那么好的观察条件了。
如果我们选一个没有光污染、没有云层、没有月光的夜晚,我们不仅能看到几颗行星和数千颗恒星,还能看到星团、一些微弱的星云、银河系的平面,甚至可能看到一两个遥远的星系。
其实我们肉眼所能看到的一切,都包含在银河系之内,最多也就是银河系周围的卫星星系!如果我们借助科学的力量深入的观察我们的宇宙,超越我们视野的极限,我们会发现,在银河系的恒星、星团和星云之外,有一个神奇的宇宙。曾经那些在天空中看起来模糊的、不重要的污点,其实和我们的银河系一样都是庞大宇宙中的一座孤岛,每一个都与我们的银河系大小相当,由数亿颗、数万亿颗恒星组成。
宇宙膨胀以及可能的未来
关于宇宙中的星系,在20世纪最令人困惑的发现是:离我们越远的星系,远离我们速度就越快。最终由埃德温·哈勃(Edwin Hubble)和乔治·勒梅特尔(Georges Lemaitre)发现,我们生活在一个不断膨胀的宇宙中。
星系的距离和退行速度的关系被称为哈勃定律。在宇宙的大尺度上,哈勃定律,或者说速度/红移关系,表现的非常明显,而在较小尺度上,例如:星系群、星系、星团,所有被引力束缚住的结构并不会随着宇宙的膨胀而扩张。
人们本能的会想到一个问题:根据宇宙大爆炸的框架,既然宇宙在膨胀,这种情况是否会永远持续下去?
哈勃定律早在1929年就制定出来了,在20世纪的大部分时间里,科学家们一直在寻找这个问题的答案。
宇宙起源于一个高温,高密度,快速膨胀的状态。空间充满了物质和辐射,随着时间的推移,宇宙冷却,膨胀速度开始放缓。此外,随着宇宙的发展物质分布的略微不均匀在引力的作用下发展成了今天看到的星系和星系团,分布在一个大约920亿光年的可观测宇宙中。
大爆炸一开始宇宙膨胀得速度非常快,但同时空间包含着大量的物质和能量,随着时间的推移,引力在一段时间内减缓了膨胀速度,而目前我们的宇宙还在继续膨胀。
那我们的未来呢?20世纪早期的科学家给出了三种可能的情况:
引力获胜。如果有足够的物质和能量,那么引力最终会克服最初的膨胀。宇宙将达到一个最大的尺寸,膨胀率降到零,然后开始进入收缩阶段。随着时间的推移,宇宙将回到一个炙热、稠密的状态,宇宙的命运将以大坍缩告终。
膨胀获胜。如果没有足够的物质和能量,引力就不能停止最初的膨胀速度。遥远的星系将继续远离我们,即使膨胀率有所下降,只是无限的接近于0,宇宙也永远不会出现逆转。最终,所有的星系都离的非常遥远,空间的温度无限接近绝对零度,称为大冻结。
膨胀率为0的宇宙。如果宇宙中再多一个质子,就会重新坍缩,并以大坍缩告终。如果再少一个质子,宇宙就会永远膨胀下去。但在一个处在临界值宇宙中,膨胀速率和引力正好位于两种情况的边缘,空间不会膨胀也不会坍缩。
在随后很长一段时间里,科学家衡量这三个选项中哪一个描述了我们宇宙的未来。大坍缩?还是会永远匀速的膨胀,还是会成为稳定的处于一个临界的宇宙?
就在1998年,我们惊讶的发现这些都不是我们宇宙的选择?相反,膨胀率不会一直下降,而是逐渐接近一个有限的非零值。
这意味着,随着时间的推移,每一个星系似乎在加速远离我们!
消失的宇宙
从某种意义上说,这就是宇宙遵循物理定律的本质。但从另一个更深刻的意义上说,这将给我们带来更大的困扰。
在我们之前设想的三个场景中,如果你乘坐一艘宇宙飞船离开地球,火箭的速度不需要达到光速,可以以任意速度运动,只要有足够的时间,可以到达可观测宇宙中的任何星系。因为随着时间的推移,引力会一直减慢膨胀的速度,如果情况是这样的话,在理论上我们是可以达到任何星系。
但如果我们的宇宙在加速膨胀,遥远的星系正在以299,792.458KM/S的速度远离我们(比光速还快,而且它们还在加速),那么我们永远无法达到它们?即使光子以光速运动,也不可能到达这样的星系。
我们所能知道的就是它们诞生时发出的光达到了我们,而我们现在所发出的光永远不会达到这些星系,我们已经与遥远的星系无缘无故地断开了联系。
令人难以置信的是,在我们接收的星光中任何红移大于1.5(这不是一个很大的数字)的星系,目前都已经消失了。
上图为哈勃深场,里面包含大约10000个最微弱、最遥远的星系。通过测量它们的红移,我们可以确定(回到哈勃定律)这些星系到底有多远。
事实证明,这幅图中大约40%的星系远离我们的速度已经超过光速,我们所发出的光已经无法达到它们了。
随着时间的推移,随着宇宙加速,越来越多的星系在我们的视野中都将变红变暗。每过一秒钟,平均而言就有成千上万颗恒星和它们的行星系超过光速远离我们。在我们今天宇宙的数千亿个星系(甚至可能多达一万亿)中,只有3%的星系在我们可达的范围内,不过在不远的未来它们也将以超光速远离我们。
所以唯一能拯救我们的就是某种受控制的虫洞或时空弯曲,一些比光快的旅行方式,但这些方式目前看来是我们遥不可及的。
每一个星系正在加速远离我们,我们看到的都是它们诞生时发出的光,而现在的光将永远无法到达我们,所以在未来,我们不会有比我们现在更好的视野!因为膨胀一刻都不停歇。