主题：【文摘】《我们的宇宙》解说词 (序) 【赵致真】 -- 不爱吱声

[主持人

　　世界上最大的问题和最老的问题，恐怕就是关于宇宙的诞生和归宿了。每一代祖先中的智慧者，几乎都作出过力所能及的回答。

　　我们从今天的天文学家那里又能讨到什么说法呢？

[电视片解说词

　　1929年是天文学历史上的一块重要界碑。哈勃在威尔逊山天文台观察了18个星系的光谱，发现都明显向红端移动，说明这些星系都在以极大速度离我们而去。更重要的是，星系离我们越远，退行速度越快，其间有着确定的线性关系。这便是著名的哈勃定理。天文学从此成为理论与观察空前统一的现代科学。霍金称哈勃定理为20世纪最伟大的智慧革命。

　　我们应该简略介绍一下红移，为此又需要先温习一下大家熟悉的多普勒效应。火车总是尖啸而来，低吼而去，我们知道这是因为波源朝我们运动时，声波两个波峰到达我们耳膜的时间间隔缩小了，于是波长变短，音调升高。反过来波源离我们而去时，两个波峰间隔被拉长，音调听起来变低。如同一个远行者，每周定期发出一封信回家，但他在离家的旅途上，我们会超过一星期才收到一封。而他踏上归程后又会不到一星期就收到一封。1842年，奥地利科学家多普勒列出了音调、声源和观察者之间相对运动的数学关系式，他的名字从此和多普勒效应永远连在了一起。这个效应同样适用于光的传播。离我们而去的光源，光谱会向红端移动，这便是红移。有个科学笑话说，酒后驾车闯红灯的司机向警察辩解，怪多普勒效应把红灯变成了绿灯。如果真如此，这位司机的车速应该达到每秒6000公里左右。

　　我们正是应用多普勒效应，观察行星自转时两侧相反运动在光谱上产生的“宽线”计算它们的自转周期，并测定天体的视向速度。远去的星系并不会因红移而看上去变红。因为它们的紫外波段会跟着移进可见区域补上空缺，我们的视网膜无从感到这种变化。

　　照这么说，究竟是凭什么认定星系发生了红移呢？这里又需要回忆一下夫郎和费线。正是这些在平常阳光中位置确定的各种元素的吸收线，整体地移向了光谱的红端。天文学家起初对类星体的光谱无法辨认，就是因为红移量大得出乎意料，一部分应当呆在紫外部分的谱线移到了可见光区。

　　然而，我们又有什么特别之处，使得远处所有的星系都“四散而逃”呢？原来，无论在哪个星系上看，其他星系也都在互相远去。正象一个不断吹大的气球，上面各点都会感到彼此越离越远。经过多少年反复推敲，天文学家认定星系之间每百万光年退行速度增加每秒15公里。这就是至关重要的哈勃常数。需要提醒的是，听信吹胀气球的比喻应防止一个误解。我们的家到学校的距离不会膨胀，太阳系不会膨胀，银河系也不会膨胀，处于同一个本星系团的仙女座星系还在向我们靠近。宇宙膨胀的运动只发生在彼此独立、几乎不受互相引力影响的大尺度星系团之间。

　　当巨大的红移告诉我们发光星系在几十亿光年之外，便等于同时告诉了我们望远镜中的影象发生在几十亿年之前。因此，望“远”镜也是回望遥远过去的望“时”镜。科学家把光线传播的空间加上一维时间，想象成所谓的“时间光锥”。发生在光锥之外的事对我们是毫无影响的。举个浅显的例子，如果太阳此刻“不慎熄灭”，我们对这样天大的事只会浑然不觉，非要等8分19秒钟后才一片哗然。那些几十亿光年外正在发生的任何事，将在今后几十亿年里沿着“过去光锥”到达地球之前无法觉察。不妨顺便提提，我们拍下的遥远星系的照片，除了不是它们今天模样，甚至也不是它们当年“真实”的容貌。星系自身几十万光年的庞大尺寸使相差几十万年的“老”光“新”光出现在同一张胶片上。恰如有一个高达百光年的巨人，头朝这边躺着，我们拍下他的照片将由百岁的头，50岁的腰和1岁的脚拼凑而成。

　　膨胀宇宙的模型终于取代了根深蒂固的静态宇宙的模型。其实，人们早就对一个稳态封闭、终古不变的宇宙表示怀疑。热力学第二定理指出，热不能自发从较冷的物体传到较热的物体。例如冰不能把热量传给杯中的酒使冰变得更冷。冰箱强迫热量从冷处流向热处则必须付出能量，热量决不会自己“误入歧途”。德国物理学家克劳修斯则相信，如果宇宙无限老，能量密度的差异就会越来越少，并表述为“熵”的增加，直到完全均匀分布不能作功的“热寂”状态。膨胀宇宙的模型使这一困惑迎刃而解了。当初，连爱因斯坦那样的大师也为了迁就静态宇宙，在广义相对论方程中画蛇添足地加进了一个“宇宙常数”。1931年，爱因斯坦参观威尔逊山天文台并会见了哈勃，两位科学巨人的手紧握在一起，爱因斯坦说，他的“常数”是一生中犯下的最愚蠢的错误。

　　宇宙既然是这样膨胀着，我们最合理的反推只能是，它过去要致密和紧凑得多，最早则起源于一次大爆炸。俄裔美籍物理学家盖莫夫率先把这一概念理论化。目前，大爆炸学说已经成为天文学界的共识和主流。

　　让我们凝神屏息看看宇宙大爆炸是一幅什么样的场景。根据哈勃常数推算，大约150亿年前，宇宙在“无中生有”的一个奇点起爆，迸出了此后的万事万物。据诺贝尔奖获得者温伯格描述，爆炸后的1%秒时，温度为1000亿度，宇宙处于最简单的热平衡状态，从纯能量中产生出来的光子和正负电子搅和在一起，连幻影般的中微子也泡在这盆“热汤”里。光子和质子的比例为10亿比1。爆炸1秒钟后，温度降到100亿度，中微子开始抽身逃离热平衡。3分钟是个划时代的时间，温度降到10亿度，正负电子的湮灭完成，宇宙主要由光、正反中微子组成，核粒子只占很小份额，其中氢和氦核的比例为73比27。另外就是湮灭中多出来的、与核粒子同样稀少的电子。此后一直70万年没有大事发生。这一阶段可以看作“大爆炸”和“物质形成”两幕剧的场间休息。直至温度降到3000度，自由电子渐渐各有其主，与核结成了氢和氦，物质于是脱离了与辐射的热平衡，宇宙开始透明。以上过程就是“混沌初开，乾坤始奠”的大爆炸！对它的研究，任何其他学科都插不上手，只能交给核物理专家处理并由他们说了算。目前，这些思维缜密、逻辑严整的人们正在加速器旁和实验室里满怀激情，从夸克的层次和万亿度高温的状态下推究大爆炸1%秒之前的细节。并试图逼近统一场论的“终极真理”。

　　大爆炸理论最有说服力的另一个证据，是贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊发现的宇宙微波辐射。至此，我们已经全部介绍了20世纪60年代的天文学四大发现。那是1964年，他们在新泽西州克劳福特山上用灵敏的天线测定高银纬的射电强度，但在7.35厘米波长上，意外探测到一种微波噪声。无论天线转向何方，无论白天黑夜、春夏秋冬，这种神秘的噪声都一仍其旧，持续而稳定，相当于3开氏度的黑体发出的辐射。天文学家听说后大喜过望，他们早就估计到当年大爆炸后，今天总会留下点什么。每一个阶段的平衡状态都应该有一个对应的等效温度，作为时间前进的“滴答”声。彭齐亚斯和威尔逊发现的各向同性的3K辐射，正是大爆炸1%秒时那锅1000亿度的“宇宙汤”膨胀到今天，冷却到今天，所应该“放凉”的温度。或者说，是当年爆炸尚未最后散尽的“硝烟”和绕梁150亿年不绝的“袅袅余音”，是当年的“爆炸之光”已经红移到微波波段的波长，是远古留下来的“辐射化石”。

　　此外，已观测到的所有宇宙天体，年龄都没有超过150亿年。物质组成99%为氢和氦，并且符合氢70%与氦30%这个“最初3分钟”给定的丰度比例，应该说大爆炸理论已经“三证俱全”了。这便是为什么尽管它还有不少缺陷，但仍被天文学界一致信服和接受，并确立了今天的“国际地位”。

　　接下来自然会面对的问题是，以大爆炸为起点的宇宙，终点在哪里。答案取决于宇宙膨胀速度和宇宙总质量的“拔河比赛”。如果我们的宇宙总质量小于一个临界值，大爆炸时的“起跑速度”或者说“发射速度”大于“宇宙的逃逸速度”，总引力将会刹不住膨胀而任其无休止进行下去。反过来，如果总质量大于临界质量，膨胀将在某一时刻达到最大值，然后转为收缩。那种所谓既不再胀又不回缩的状态，如同扔上天的石头停在空中一样是不可能的。目前有人计算，决定宇宙胀缩的临界质量为每1000公升3个氢原子。

　　那么，我们宇宙的全部物质能不能够得上这个命运攸关的标准呢？计算结果是，所有恒星、黑洞、宇宙尘埃加起来，连这一质量的1%都达不到。可谁能担保我们在清查盘点宇宙中的物质时就没有遗漏呢？

　　关于由反质子、反中子、反电子构成的反物质乃至反星系看来并不存在。至少目前没有任何证据支持这种假想。今天的宇宙包括我们的身体，正是在大爆炸最初三分钟，比例为10亿加1的正物质和10亿的反物质“大火并”后剩下的残余。

　　但我们却长期忽略了宇宙物质世界中的一个“泱泱大族”，那就是无边无际的暗物质。天文学家在观察星系运动时早就疑窦丛生，银河系和所有星系的恒星绕中心公转，角速度基本相同，都不符合开普勒定律。这只能解释为星系内至少还充填着10倍以上的质量，使星系成为整体密度平均分布的引力束缚系统，以确保自身不被旋转甩得分崩离析。但这些充填物却完全无从发现。有人把寻找暗物质比喻为“煤库里寻找黑猫”，这是概念的错误。黑猫能被手电筒照见，它发出的热辐射可以测出，特别它是和我们一样的物质所构成。暗物质则既不发光，也不吸收光。它们不介入电磁力和强力，只参与弱力和万有引力。这是一种我们完全不知道的物质。时至今日，天文学所研究的星系竟只占宇宙总物质不到5%的份额。当人类发现地球不是宇宙中心后，又一步步无奈地发现太阳、银河都不是中心，现在居然轮到连构成我们星系的物质也不是宇宙的主流，而只是大自然中的“一小撮”！可以肯定，暗物质真相大白之日，将实现人类在物质领域最伟大的“哥白尼革命”。

　　目前天文学家普遍认为暗物质对星系的形成不仅助过一臂之力，甚至立过“扛鼎之功”，并且对星系团的泡沫状分布起决定性作用。各国科学界的“福尔摩斯”都紧急出动，争先恐后追踪暗物质。人们希望通过“引力透镜”看到的“宇宙蜃楼”，找到暗物质集团的隐形分布。意大利和中国科学家在阿尔卑斯山1000米厚的岩洞里摆下碘化钠晶体阵列，希望捕捉到一种嫌疑极大、质量是质子50倍的弱相互作用重粒子。正如贝尔实验室的泰森所说：“暗物质会有一个光明的前途。”

　　我们的讨论就要接近尾声了。如果我们的宇宙中包括纯能量形式存在的物质统统凑起来，仍然达不到临界质量，膨胀将无可挽回地继续下去。经过一亿亿亿年，宇宙已经膨胀到今天的1亿亿倍。所有的恒星早已熄灭，曾经生机勃勃的宇宙将曲终人散，地老天荒，剩下一些零落的白矮星、中子星、黑洞，沉浮飘游在永恒无边的寒冷和黑暗中并最后蒸发为无比稀薄的基本粒子。这是个“一次性”的宇宙。

　　如果我们宇宙的质量大于临界值10%，膨胀将在1000亿年后止住，它的温度将降到1K。然后收缩开始。这个过程正好是膨胀的逆过程，一段时间里我们将同时看到星系的红移和蓝移。1000亿年后宇宙将再次收缩到今天的大小和3K的温度，但已经到处都是黑洞，恒星也变得稀疏不堪了。再过140亿年，宇宙将比今天缩小百倍，天空的背景辐射达到300K使地球无法散热，所有星系也将不可辨认。此后收缩的步伐越来越快，天空越来越亮，温度越来越高，恒星和行星在1千万度时全部解体。直到最后三分钟，宇宙又回到大爆炸前零体积、无限大密度和高温的奇点。今天宇宙的全部历史将彻底了结，包括我们的天文学知识，都不会再留下任何痕迹。有人认为，下一轮大爆炸将随后开始，我们的宇宙就诞生和消亡在无数次膨胀收缩的“振荡宇宙”中。

　　无论“冷结局”、“热结局”，似乎都充满悲剧意味。有些科学家则乐观地相信，1000亿年后的人类，将有足够的智慧重新调动和部署整个宇宙的资源，防止浩劫的发生。或者通过“虫洞”，即爱因斯坦-罗森桥迁往其他宇宙，也许启动一个如霍金所说的“婴儿宇宙”作为人类的“诺亚方舟”。不过，只有几千年文明史和几百年近代天文史的当代人类，预言几乎无穷遥远的未来结局，也许不会比当年的杞人略微高明。当人类亿万代的后裔打开我们今天留下的“锦囊”，读到其中提供的“妙计”时，一定会深深感动又忍俊不禁。而我们人类真正的危机，也许首先来自“萧墙之内”自己的家园。