4月28日 《宇宙將走向哪》 李 競 

央視國際 2004年04月27日 14:29

　　主講人簡介：

　　李 競，中科院國家天文臺研究員，曾任中國天文學會理事；是北京大學、北京師範大學、中科院研究生院的兼任教授。主要從事恒星物理、銀河系天文和天文史的研究。

　　內容簡介：

　　2003年12月下旬，美國的著名期刊science，把“我們的宇宙中有暗能量”這一發現放在當年的十大科學進展的首位。什麼是暗能量呢？現在還搞不清，只知道它是一個斥力性質的物理量。我們都知道一個科學常識，有正的、有負的、有陰的、有陽的、有正電就有負電，偶極磁場是有南極和北極，負電子帶的負電，正子帶的正電，可惟獨在宇宙中只有引力沒有斥力。為什麼？或者説不為什麼，宇宙就是這樣子。

　　由於有了暗能量的存在，它是和引力正相反的一個作用力，而我們的宇宙在20世紀已經確認了它是在膨脹中。膨脹的來源，是來源於一個偶然的事件，也許是必然的事件，就是一次大爆炸。這個大爆炸的力量是斥力量，與引力正相反的，而現在發現了在加速，就是不僅有大爆炸往外的膨脹力量，還有一個力量使它加速，加速的結果，就意味著我們這宇宙的命運就是越來越膨脹，收不住。

　　那麼我們宇宙向何處去呢？我們都知道，在20世紀末，一切關於宇宙的書籍都會提到，我們的宇宙今後可能有三種命運：一種命運，就是引力最終佔上風。最後引力克服四向膨脹的力量，宇宙不再膨脹。然後我們的宇宙就開始大收縮。第二種可能就是一直膨脹下去，按照哈勃的線性關係，無窮無盡地一直膨脹下去。第三種它可能膨脹之後又收縮，收縮之後又膨脹，變成反復的脈動。可是我今天要告訴大家，我們的命運只有一種，加速膨脹。大概在1000億年，我們的宇宙已經虛無縹緲，四大皆空，因為所有的能量都用完了，發光天體再也不會發光了，物質還存在著。這就是今天我們要談得，我們的膨脹宇宙在加速膨脹，謝謝大家。

　　（全文）

　　2003年12月下旬，美國的著名期刊《科學》science，根據它的慣例要評出當年的十大科學進展，而這十大科學進展，它還有一定的順序，就是把認為最重要的擱在第一位，這個第一位，就是2003年的十大科學進展的第一位是什麼呢？就是確認我們的宇宙中有暗能量。暗能量現在這麼稱呼了，這個是不是國家規範的名詞呢，我不敢説，它就是dark energy。什麼是dark energy呢？現在還搞不清，只知道它是一個斥力性質的物理量。到了2004年1月份，我國公佈了中國科學院和中國工程院兩院院士評出來的十大科學進展，也有這一項，就是暗能量的發現。那麼我今天就要講講暗能量是怎麼回事。

　　我們都知道，不管你學過矛盾論沒學過，都知道一個科學常識，有正的、有負的、有陰的、有陽的、有正電就有負電，偶極磁場是有南極和北極，負電子帶的負電，正子帶的正電，可惟獨在宇宙中只有引力沒有斥力，只有萬有引力，你們學過物理的，聽説過萬有斥力嗎？為什麼？或者説不為什麼，宇宙就是這樣子。是不是沒有和引力相反的作用力呢。一直到20世紀末都沒有發現，也沒有通過天體觀察來顯現出來有和引力相反的作用力。因此在2003年確認了宇宙中充斥著與引力相反的斥力性質，在近處看不見，也摸不著的這樣的一個物理量的存在就變成了重大的事情。它怎麼重大呢？由於有了它的存在，它是和引力正相反的一個作用力，而我們的宇宙在20世紀已經確認了它是在膨脹中。膨脹的來源，我們今天要講，是來源於一個偶然的事件，也許是必然的事件，就是一次大爆炸。這個大爆炸的力量是斥力量，與引力正相反的。而現在發現了在加速，就是不僅有大爆炸往外的膨脹力量，還有一個力量使它加速，加速的結果，就意味著我們這宇宙的命運就是越來越膨脹，收不住。看來現在的結論，就是我們現在的年齡是137億年。根據現有的觀測資料，大概再過300億年，還保持著加速，是不是再往後，又如何呢？還得進一步地去觀察，進一步地研究。這些已經有計劃了，已經排在日程上了，也很可能要繼續膨脹下去，加速膨脹下去。大概在1000億年，到那個時候，我們的宇宙已經虛無縹緲，四大皆空，因為所有的能量都用完了，發光天體再也不會發光了，物質還存在著，但是輻射能已經沒有了。這個描述得好像太可怕了，不過這還早著呢。所以這點完全不必太操心。

　　在講今天的話題之前，我願意告訴大家，在20世紀有人做過一些公開的，在科技界圈子內做過一些民意測驗，這民意測驗是什麼呢？問對天文感興趣的一些科學家，叫你評一評，你認為20世紀天文中最重大的進展是什麼，只許選一項，不要一，二，三。還有你認為，20世紀最重要的天文學家是誰？只選一人，百分之百的票，投中了最偉大的天文學家是哈勃，沒有選其他人的。最重大的天文學成就一項，就是我們的宇宙是動態的宇宙，是演化的宇宙。為什麼這樣子？我們看一看，在此之前我們怎麼認識的。直到20世紀初，運用牛頓力學考察大尺度空間，得到的結論都是，我們的宇宙無論是時間還是空間都是永恒的，無窮無盡的，無始無終的，沒有起源，沒有開端，也沒有終了。而這個是科學結論，是你根據天文的實測，你對周圍的事物研究所得到的參數，然後用牛頓力學分析得到的結論。這個結論不僅是廣大的公眾普遍接受，科學界也普遍接受。恩格斯就把它寫進了自然辯證法。因此認為我們的宇宙是無始無終，無窮無盡的，幾乎是天經地義。

　　有一個天文學家叫斯裏弗，他就用手邊的一個不錯的望遠鏡，還有一個威力相當強大的光譜儀，他來考察那些不是星的星雲狀的天體，拍照出它的光譜，希望測量出來它的空間運動。他經過了近十年的努力，成功地取得了46個星雲的光譜，這真是不容易的創舉。然後他就在實驗室分析了光譜譜線的位移，然後把位移的量換算成為運動速度，他得到的結果不僅使他大吃一驚，也使幹這行的天文學家都充滿了問號，滿頭是問號。因為他得到的結果可不是大家熟悉的那個二、三十公里/秒，三、四十公里/秒，而得到最少的也是400公里/秒，500公里/秒，600公里/秒，上千公里/秒。一個天體和地球做相對運動，400公里/秒，500公里/秒，上千公里/秒，這根本不可理解。他發表了文章之後，首先很多人認為，乾脆你是外行，你測得不對。所以斯裏弗最早的一些文章是受到大家的譏笑。別人測出來的恒星運動速度都是幾十公里/秒，你一測出來幾百公里/秒、上千公里/秒，顯然是一個荒唐的事兒。但是隨著他發表了更多的後續文章，看來這個趨勢是沒有例外的，而且是一個什麼現象呢？是越暗的星雲，它的運動速度越大，這是一個。第二個現象更出乎意料的，就是所有的這些星雲的譜線的位移統統是往紅端位移，只有兩個例外的是往紫端位移的。那麼就是説所有這些星雲，如果認為反映的是多普勒效應的話，那都是四向遠離我們而去，這就是二十世紀頭十年斯裏弗開場性的觀察所發現結果。

　　1929年一個美國天文學家叫哈勃，他就用了大型望遠鏡來估算斯裏弗測量出譜線紅移的46個星雲的距離，這個很難做，因為距離太遠了，都用的是間接方法，這就是哈勃的本事了。他用人家量出來的運動速度，用他自己估算出來的這些星雲的距離，用這兩個參數，一個是星雲的距離，這是重要的距離，一個是這些星雲離我們遠去的運動速度，它用這兩組數據，這兩個參數來得到了這樣一個關係式，橫坐標是哈勃估算出來的距離，他得到了一個離我們越遠的星雲退行的速度越大的結果，它們呈線性關係，這個就被稱之為哈勃定律。剛才看的是哈勃自己做出來的線性關係，自從他1929年確認了這個線性關係之後，哈勃一直到死，主要就做一件事情，繼續延長這條線，看一看是否還是線性，如果偏離了線性，那就有兩種可能，如果往下彎，表明膨脹的速度減慢，如果是往上彎，表明速度加快。哈勃從1929年跟他的同事繼續延長這條線，一直到他去世，這條線還是線性的。他的學生繼續延長它，一直到50億光年這樣的範圍之內，這條線還是直線，就表明我們宇宙的膨脹是速度均勻的膨脹。

　　1927年比利時的一個天文學家勒梅特，他寫一篇博士論文。他也是獨立地去用廣義相對論考察宇宙。這個人得到了一個不僅是動態的宇宙，而且在現階段，我們的宇宙在膨脹，非常明確。

　　又過了將近二十年，到了1946年，美國一個天體物理學家叫伽莫夫，他做了一件事情，他提出來的宇宙起源的大爆炸學説非常有創造性。他在研究我們的宇宙為什麼會四向膨脹，四向膨脹是觀察到的，所有的星系都是四向膨脹。為什麼會膨脹？他把兩件事情結合起來。一件事情是現在我們觀察到的，我們的宇宙在膨脹，所有的星系都在四向膨脹。在天文中還有一個謎沒有解，這個謎是什麼呢？就是關於元素的豐度，這是怎麼回事呢？天文學家都知道，在宇宙中元素的分佈普遍性的是什麼呢？如果用粒子數來説，90%是氫，10%是氦，其他所有的元素都不足1%。如果用質量來説，75%是氫，25%是氦，其他的所有不足1%。為什麼這樣子？不知道。如果用恒星演化來説，不行。恒星演化，譬如拿我們太陽來説，我們的太陽就是內部氫聚變成為氦，然後在聚變中，氦又變成了更重的元素。而我們宇宙的年齡是有限的，在已知的這個年齡中産出不了那麼多的氦，所以宇宙中的氦還有另外的起源，就是應該説宇宙一誕生，就有粒子數的10%是氦，或者質量上25%是氦，為什麼會這樣？不知道。所以伽莫夫是把這兩件事情擱在一起，來解這個課題。他認為要想出現原始的豐度，按照粒子數來説90%是氫，10%是氦，那麼最開始是應該在非常高的密度，非常大的質量，空間佔得非常小，溫度非常之高作為一個起點，在那個起點突然間一爆炸，這個爆炸的力量就是我們看到的星系四向膨脹。而在那一瞬間，宇宙中誕生的就是90%是氫，10%是氦，他做了這麼一個理論計算。

　　這個學説發表之後，引起了一片譁然。其中有一個大天文學家，這個大天文學家在2001年才去世，是英國的一個大天文學家叫霍伊爾。霍伊爾堅決反對大爆炸學説。他在這邊聽到了大洋彼岸有一個所謂的αβγ學説之後，他就説了，我們的宇宙難道説就是這樣“乒、乓”就炸出來的。他説這不簡直是“Big Bang”嗎，他完全是諷刺的，貶義的。什麼αβγ學説？説“Big Bang”是胡説八道，結果在BBC廣播電台中，一通冷嘲熱諷之後，那邊的伽莫夫聽見了，伽莫夫説“Big Bang”不錯嘛，名字不錯嘛，就叫它吧。結果一個貶義的，諷刺的，一個譏笑的、謾罵語言，最後變成了這個學説正式的名字，一直沿用到今天。

　　這個αβγ學説發表之後，又過了一年多將近兩年，這時候伽莫夫又幹別的事去了。他的學生和助手阿爾法還想繼續幹下去，就又找了一個當時找不著課題的博士後，這個人叫赫爾曼，這倆年輕小夥子現在可能都健在，他們兩個人繼續幹，就把伽莫夫的學説，就是αβγ學説繼續往下延伸，他們延伸之後就得到了一個重要結論，這個重要結論是一個預言。他説當年的一個極高的溫度，極大的密度，非常大的壓力作為起點，這個高溫、高壓的火球，在大爆炸之後，到今天余燼還有一定的熱度。根據他們算出來的是5K。後來隨著科學的進展，把運算中的參數改一改，更近代化一些。比如説電子的質量，參數改成更新的，更確切的數據之後，這個5K就變成了3K。他們兩個人説，這個當年的那一鍋熱湯到了今天充斥在宇宙中，還剩下3K的余溫。這3K的余溫應該是各向同性，在哪兒都充斥著3K的余溫，再往後還將變成了2K，1K，最後寂靜下來。但是今天是3K，就是-270℃。這就是1948年伽莫夫的兩個學生在繼續他老師的工作得到的一個重要的預言，這個預言在當時是無法驗證的。

　　大家都知道，天文學家可以做出許許多多美妙的預言，美妙的理論。但是要想把這些美妙的學説變成了科學結論必須得到天文驗證。那麼對於阿爾法和赫爾曼的預言，天文學家並不興高采烈，因為3K，當時的技術是無法測量的。但是到了1965年，兩個貝爾實驗室的無線電工程師，彭齊亞斯和威爾遜，他們做了一個非常精密的輻射探測器，他們做一個什麼題目呢？做一個就是當時在20世紀60年代的時候，美國已經發射了一些空間探測器，就是如何使這些探測器飛到很遠的地方，還能跟地面取得很好的通訊聯絡。他們兩個人在研究，如何使這個儀器接收遙遠的微弱信號，還能把數據記錄下來。他們兩個就做這個題目。結果他們探測來，探測去，就總有一個噪音無法消除。他們排除了一切周圍的干擾，一切可能有的噪音。他們確信，他們的儀器中沒有混進他們已知的任何人為的環境造成的噪音。他們認為，他們探測到的，消除不了的噪音是客觀存在的，而且這個消除不了的微波噪音，在微波波段十幾厘處，它肯定是宇宙中固有的。他們得到的這個噪音要換算成為熱溫度，是黑體輻射3K。在1965年他們終於把十多年前，將近二十年前阿爾法和赫爾曼預言的3K背景輻射找到了。這兩個人，彭齊亞斯和威爾遜得了諾貝爾獎。這幅圖就是藝術家在描述伽莫夫預言最開始的一瞬間，大爆炸極高的溫度，極大的壓力，到現在今日形成這樣的哈勃稱之為星雲。現在把他它已經稱為星系的天體，四向膨脹。

　　那麼現在要問了，我們宇宙向何處去。我們都知道，就是在20世紀末，一切關於談宇宙的書籍都會提到，説我們的宇宙今後可能有三種命運：一種命運，引力最終佔上風。由於物質足夠得多，最後引力克服四向膨脹的力量，宇宙不再膨脹。宇宙不再膨脹之後，當引力佔上風，佔一點點上風的時候，就開始收縮，我們的宇宙就開始大收縮，這是第一種。第二種可能就是一直膨脹下去，按照哈勃的線性關係，無窮無盡地一直膨脹下去。第三種它可能膨脹之後又收縮，收縮之後又膨脹，變成反復的脈動。你們去看，凡是2000年前出的一切天文書都預言我們宇宙的命運可能有這三種類型。可是今天我們已經知道了，已經比較明確地知道了，我們的命運只有一種，加速膨脹。

　　要想叫它終止膨脹，就是我們宇宙總物質的平均密度必須得達到這樣一個量級，才能最終戰勝膨脹的力量，終止膨脹。可是現在看見的是這個值，要想終止膨脹是10－31克/立方厘米，可是現在測定的平均密度值是10－33克/立方厘米，差了兩個量級，膨脹收不住。但是這個值對不對呢？這個值是怎麼測出來的呢？是這樣測定的。一直到了20世紀60～70年代，天文學家還普遍地認為，宇宙中的物質主要的表現形式是恒星，就是宇宙的物質主要都存在恒星上。因此你把宇宙中所有的恒星加在一起，這就是宇宙的總質量。但是後來知道，在宇宙中還有看不見的，但是從引力上能表現出來它們存在的，然後就把這類看不見的物質冠上一個普通名詞，因為沒有辦法，用了普通名詞來描述它，叫做暗物質。大家注意，我可沒説反物質，我説的是暗物質。暗物質就是dark matter 的直譯，dark matter是包括了行星，包括了黑洞，凡是你看不見的，探測不出來的，但是它存在著的，還有那些遙遠的小星系，因為你也看不見。所以暗物質是在上個世紀七、八十年代之後一個熱門的探測對象，找暗物質。但是暗物質找來找去，暗物質的量也不足以達到這個10－31克/立方厘米，就是在這兒再加上一些暗物質，也達不到這個量。

　　那麼我們的宇宙是不是就一直膨脹下去呢？大家認為，可能還有你不知道的暗物質。就在這個時候，天文學家在這裡關心另外一件事情，就是根據引力作用來估量出來的發光天體，和其他有關的天體，包括星雲等等都在內的，只佔15%，而其他的暗物質應該佔85%，但是現在已知的暗物質就湊不足這個數，湊不出85%來，天文學家就很徬徨，很徬徨的時候，天文學家在解決另外一個問題。這個問題是什麼呢？就是希望能回答，我們的宇宙大爆炸事件之後，在宇宙中的物質分佈是極端地均勻，一鍋熱湯，這一鍋熱湯怎麼會就變成今日觀察到的物質分佈得極端不均勻，怎麼回事。

　　在20世紀80年代，曾有天文學家提出了一個假説。假如在大爆炸那個事件開始之後，在一個極短瞬間，突然間有一個加速膨脹的階段，這個加速膨脹的階段非常短暫，短于一秒鐘，它甚至於可以超光速，因為它不是天體，是一個群速度。如果有那麼一個階段，這個階段被稱之為“暴脹”階段，這“暴脹”就是通貨膨脹那個字，“inflation”。如果有那麼一個階段，那就是變成了一個微弱的擾動，有那麼個微弱的擾動，就會形成今日的物質極端不均勻，這就解釋了今天的星系怎麼會形成。但是這是一個假説，這個“暴脹”階段是不是有呢？如果有“暴脹”階段，今日觀察到的3K背景輻射就應該有一定程度上的各向異性。而在20多年前，觀察到的背景輻射都是各向同性，非常均勻的3K。那麼在20世紀80年代末，天文學家曾創造了一種特別靈敏的儀器，這個特別靈敏儀器擱在衛星上，上天之後很快就下來數據了，果然量出來的，有千分之一的各向異性。這證明什麼呢？那個“暴脹”階段是存在著的。因為只要是有“暴脹”階段，就會出現各向異性。各向異性果然探測出來了。這是個偉大的成就，這件成就也寫入了《科學》雜誌當年的十大進展之一。

　　又過了一些年，大家還希望能夠進一步了解宇宙命運問題。在這裡有幾組天文學家做著完全不同類型的探索。咱們先説第一種。哈勃空間望遠鏡升天了，1990年發射的。升天之後，他們就申請了一個項目，來探測50億光年之外的暗天體，50億光年之外探測什麼暗天體，去找50億光年以及更遙遠的超新星。超新星一爆炸，它的光度可以跟一個星系的總光度相比美。他們申請到了觀測時間，就叫哈勃空間望遠鏡去搜索某些指定天區。去給它錄像，當然是用數碼相機了。然後把這個天區的圖像存在計算機中，過兩天，再拍它，再拍這個天區。第二次得到的圖像又傳回地球，和計算機儲存的前一天的那個圖像對比。結果發現觀測到的所有80億光年以外的超新星的實際距離都比用哈勃定律算出來的更遠。1998年的這項發現震驚了世界，得到了當年《科學》雜誌十大科學進展之一。通過遙遠宇宙的超新星觀察，發現我們的宇宙膨脹在加速。這就是上世紀末的一個重大發現。這個工作還繼續做，不僅繼續做，而且還希望觀測100億光年之外的超新星。現在正設計，正在研製，正在籌款做更大的望遠鏡，專門到大氣之外去，當然比哈勃望遠鏡還要大的望遠鏡，到天上去，去搜尋更遙遠的超新星，進一步探索宇宙膨脹加速之謎。

　　這樣到了上個世紀末，天文學家已經知道了，原來我們的宇宙膨脹在加速。這是不是局部的情況呢？還是整體都如此呢？為此，應該進行類似于90年代那個COBE探測器，就是背景輻射的起伏是不是各向同性的工作。在1998年一個科學家小組，用一個毫米波探測器，把這個探測器擱在氣球上，在南極地區叫它升空。為什麼擱在南極地區上空呢？因為它升空以後，在南極地區跟北極地區都有這樣的情況，就是有長夜，日不出，北極是白晝的時候，南極是長夜，連續半年都沒有太陽，就沒有了一個輻射干擾源。探測的結果再一次肯定“暴脹”確實存在。這是上世紀末，2000年的《科學》雜誌的十大進展之一。

　　2001年另外一個科學家小組在做微波背景輻射，就跟COBE類似，但靈敏度高得多。到了2003年初，公佈了探測結果。這個結果是什麼呢？根據它的起伏情況，可以肯定，它的起伏情況表明我們宇宙的幾何特徵是一個平直的。最後的結論就是我們的宇宙一直膨脹下去，而且是加速膨脹下去。

　　除了這三項實驗工作之外，在同時進行的還有一個，另外一項長期的觀測宇宙學的工作。這個工作是用光纖去做遙遠星系的三維數據，就取得遙遠星系的距離和它們的位置。根據這項研究所得出來的初步結論，就是看到了遙遠的早期宇宙的物質分佈情況。這個結論就是我們的宇宙從大爆炸到現在是137億年，也就是説我們的宇宙的年齡是137億年，其中發光天體包括我們太陽在內佔4%，暗物質佔23％，暗能量佔73%，這就是一幅今天我們宇宙的圖像，用這麼4個數字來描述，一，年齡是137億年，我們的宇宙大小就是137億光年，然後裏邊的物質4%是可見天體， 23％是看不見的，引力效應表示其存在的暗物質，73%是暗能量，這dark energy是斥力性質的，本源不清楚，有待於今後進一步深入研究。而現在看來，這個dark energy不是一個變量，至少在300億年的時間內不是一個變量。在更大的時空上還是不是繼續為不變量，還不知道。因此在可見的未來，在300億年期間內會是一直按照現在這樣的一直加速膨脹下去。這就是今天我們要談得，我們的膨脹宇宙在加速膨脹，謝謝大家。

　　（來源：cctv-10《百家講壇》欄目）