宇宙的未来

总有一片天

从2020年五月至今，坚持每周一篇已连续发布88篇文章，只有去年因为去西藏耽误了几周。但最近，已经连续三周没有发布新的公众号文章了。
一方面是因为之前在谈了很多关于物质、生命、宇宙，这样的哲学问题之后，突然开始觉得没有太多别的东西再值得去写了。另一方面，这段时间里我在集中酝酿和思考另一个终极问题——生死。不过最近这几篇，先把以前没说完的话题结束。
之前的文章从物质和能量说起，涉及到了相对论和量子力学，最终说到了黑洞和宇宙，虽然表面是在谈科学，实际上是从哲学的角度论述的。我更关注的是哲学问题，和其引发的哲学思考——但之后的文章思路被打断，先谈了天文望远镜，后谈了侦察卫星，中间还穿插了几篇关于空姐与法律、书法与艺术的文章……最近几周的文章，先把宇宙的话题做一个了结，然后开始新的系列。


在我之前的文章里介绍过，根据公认的“宇宙大爆炸”理论，宇宙的诞生源于137亿年前一个体积无限小的“奇点”的膨胀，既然是体积无限小，所以在宇宙大爆炸之前，是没有质量而只有能量的，在形成宇宙的膨胀过程中，能量按爱因斯坦质能方程所描述的方法转化成物质，最终成就我们身边的这个世界。
需要强调一点，宇宙大爆炸的第一刻，并非宇宙是一个点，外面是虚空，然后宇宙的物质从那个点喷出来。而是“全部”就这一个点，不存在时间和空间，只有一个点，所以这个点并没有“外面”，宇宙的物质不是爆炸喷出来的，而是这个点从小到大快速膨胀，在膨胀的过程中，逐渐产生了时间和空间，如同气球在充气一样。
那么问题来了？宇宙现在还在膨胀吗？还是已经停止了？或是正在收缩？


根据目前的天文观测，宇宙目前仍在加速膨胀之中！你可能会好奇，科学家是怎么知道的！
汽车鸣笛快速接近你时，你会发现喇叭声调在变高，远离你时，声调会变低，这就是“多普勒效应”。光也一样，光远离我们时，频率会变低，也就是波长会变长，根据可见光谱的赤橙黄绿青蓝紫，红光波长最长，紫光最短。而科学家们观测到遥远星体都在发出红光，称为“红移”，说明他们在飞快地远离我们。而且，从地球上看去，四面八方所有方向的遥远星体都在离我们而去，那地球难道就是宇宙膨胀的中心！？
当然不是，其实从宇宙中任何一处观察，都会发现相同的现象，外星人也会觉得他们所在的星球才是宇宙的中心。所以，唯一的解释是，宇宙的膨胀没有中心。怎么理解呢？这就如同刚刚提到的吹气球。想象气球表面有很多小虫子，当气球膨胀时，所有气球表面的小虫子都会彼此远离，但他们谁都不是气球膨胀的中心，气球膨胀没有中心，或者说膨胀中心在虫子意识不到的气球内部。
在这里，虫子的世界是二维世界，也就是气球的表面，只是一个“面”，虫子相当于二维生命，但气球属于三维世界，是一个“体”。气球的膨胀中心不在虫子生活的“面”上，而在“面”内，这超越了二维虫子的认知范围。
我们的世界也许也类似，人类是三维生命，人类生活在三维宇宙中，我们看不到宇宙膨胀的中心，但宇宙可能存在更高的维度，如同膨胀的气球，而我们只相当于气球表面的虫子，宇宙膨胀的中心在我们意识不到的更高维度——第四维度……这就涉及到宇宙的“形状”问题，在本文后面会进一步提到。
下一个问题，宇宙既然现在仍在膨胀中，那未来呢？宇宙会永远膨胀下去吗？还是会逐渐减速停止？甚至最终开始收缩？


如果宇宙会永远膨胀下去，最终一切恒星内部的核反应终将熄灭，温度降低，所有物质都将衰变殆尽，宇宙走向空虚与荒凉。
如果宇宙最终由膨胀转为收缩，温度将上升，原子核在高温下被摧毁，所有物质均不复存在，最后时间与空间消失，只剩一个奇点，又回到大爆炸的最初时刻。
那最终什么在决定宇宙的未来走向呢？是引力！引力能决定宇宙膨胀的趋势，而引力大小与质量有关，更确切的说就是宇宙物质的平均密度太小决定宇宙的未来。
如果宇宙中的物质不够多，所产生的引力不足以抗衡宇宙膨胀的趋势，宇宙就会永远膨胀下去。如果宇宙中的物质密度足够大，引力足以制约宇宙膨胀的趋势，总有一天引力会占上风，膨胀到极限后会开始收缩，并反演整个膨胀的全过程，最后缩回到宇宙大爆炸的那个奇点。
这个过程类似往天上扔石头，我力气小能扔到四层楼，你力气大能扔到十层楼，但最终仍会掉下来砸到自己，如果力气更大一些，是不是能够把石头扔出地球呢？当然可以——以运载火箭的发射速度扔出石头。
宇宙的密度在宇宙永远膨胀，还是最终回缩到奇点的临界值称为“临界密度”。如果当今宇宙密度小于“临界密度”，宇宙将永远膨胀，如果宇宙密度大于“临界密度”，宇宙终将从膨胀变为收缩。
以上理论最先由苏联物理学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann，1888-1925）提出。根据弗里德曼的宇宙模型总结出的方程显示，物质的引力会减缓宇宙膨胀的速度，宇宙中质量和能量的密度决定了宇宙的几何结构和演化过程。
该理论及其衍生，也是目前最为主流的、教科书级别的宇宙学理论，本文中所有内容都源于此。但是，写进教科书也并不意味着绝对正确，毕竟它还是一种假设，也许将来会被推翻，或被更好的理论替代。
目前来看，宇宙中可见的有形物质的密度远小于临界密度，似乎宇宙会无限膨胀下去？但科学家告诉我们没有那么简单，其实还有一些我们看不见的物质。


我们知道，太阳系属于更大的银河系，我们与其他银河系中的小星系一起，围绕银河系中心的巨大黑洞旋转。上世纪70年代，天文学家发现大量星系的旋转速度与通过引力计算得出的结果不符。按照观测到的物质的质量计算，在星系外围，星系的旋转速度应该下降。但观测到的星系自转速度却比通过引力计算的要大。
于是天文学家猜测，只有实际质量大于目前可观测到的质量，才能符合星系的引力效应以解释其运动。所以怀疑宇宙中有大量无法观测到的质量，包裹着星系，提供了额外的引力，让星系自转速度保持在较高水平。
这种无法观测到的物质被科学家称为暗物质（Dark matter）。暗物质到底是什么，虽然科学界目前有一些可以作为暗物质候选者的粒子，但目前仍不能完全确定。
目前科学界的主流观点是承认暗物质的存在，并写进了教科书。对于暗物质我们还探测不到，也不能确定其具体组成和性质，所以这还只是一种假说，但其引力所产生的效果已被观测到了。当然，该理论也不是没有争议，说不定是引力定律不正确！将引力方程修正就不需要有暗物质了！这种“非主流”理论目前还是有一定影响力的，一会儿再介绍，先说“主流”的。
刚才提到，通过遥远星系的“红移”现象，发现宇宙目前仍在加速膨胀，这引出了除了“暗物质”以外的另一个重要概念——“暗能量”。


在20世纪90年代末，通过观察遥远的恒星，天文学家们发现尽管物质在引力作用下会倾向于聚集在一起，但宇宙并没有坍缩，相反，宇宙反而在加速膨胀。科学家猜测，宇宙的加速膨胀是因为存在一种额外的能量形式，并将其命名为暗能量（Dark energy）。
大家知道，有质量的物质之间存在“万有引力”，而这个暗能量相当于“万有斥力”。目前宇宙在加速膨胀，是由于“宇宙斥力”——暗能量占据了主导。从对宇宙演化的影响角度，暗能量的排斥效应随宇宙的膨胀而增大，而物质的引力效应随宇宙的膨胀而减弱。也就是说，暗物质和正常物质的引力作用会减慢宇宙膨胀，但是，暗能量会使宇宙膨胀加速。
对于暗能量本质和性质就更不知道了，人类对于暗能量的了解还没有对于暗物质知道得多。暗物质是什么，科学界还有一些候选粒子作为线索，而暗能量则什么都没有。
目前只有加上暗物质与暗能量后的宇宙，才能与天文观测符合——宇宙膨胀现状与星系运动现状。
前面提到的苏联物理学家弗里德曼的方程，以及暗物质和暗能量假说，共同组成了目前写进教科书中的，关于宇宙演化的主流理论——宇宙学标准模型。


我们看不见，却又能提供引力的物质，就是暗物质。后来暗物质理论经过多次完善，逐渐形成了今天宇宙学的标准模型——ΛCDM模型。这也是宇宙学标准模型。
ΛCDM模型的全称是Λ-冷暗物质模型（Lambda Cold Dark Matter Model）。顾名思义，它假设宇宙中存在暗物质（暗物质分为热暗物质和冷暗物质，但多数属于冷暗物质）。Λ代表暗能量（Λ最初为爱因斯坦在解释宇宙为何不会因引力坍塌时，引入的宇宙学常数）。
这一理论是目前写进教科书中的宇宙演化理论。如今的所有学者和学生，都是在默认ΛCDM模型是正确的环境下接受的教育，他们被告知宇宙中暗物质多于普通物质。将最新的观测数据带入这个模型，可以计算出宇宙中普通物质占4%，暗物质占23%，暗能量占73%，这些构成了宇宙中物质和能量的全部。这意味着，宇宙中的大部分物质是暗物质，它们并非由原子组成，而宇宙密度大部分甚至不是物质，而是暗能量。


说了半天，那宇宙的未来到底是永远膨胀下去？还是终将转为收缩？
如果只考虑“正常”物质，那宇宙的实际密度远小于宇宙临界密度，似乎宇宙要无限膨胀下去，但如果包含暗物质呢？
根据宇宙学的标准模型——ΛCDM模型和“暴胀理论”（在宇宙形成早期的一段时间里，宇宙以极大速率膨胀，该阶段结束后宇宙虽继续膨胀，但速度减慢了许多。该理论目前也是主流的，写进教科书的理论假说），认为宇宙实际密度等于或接近临界密度。也就是说，宇宙正处于膨胀或收缩的分界线上。
举个例子，假设你得知你的身高所对应的标准健康体重是60公斤，但你的实际体重永远不可能“骑”在标准上，只要你的体重秤精度足够高，你的体重就永远无法到达60.0000小数点后无限个0，一定会出现60.001或59.999类似这样的偏差的。
宇宙的实际密度也一样，一定是会略大于或略小于临界密度的，不可能完全“骑”在临界值上。所以，宇宙是否永远膨胀或最终收缩其实仍均有可能。但从目前的观测和理论研究来看，更有利于永远膨胀的结果，但也不能说绝对了。
大胆想象一下，如果我们的宇宙之外还有宇宙，有多个所谓“平行”宇宙，如果这些宇宙彼此还能交换物质和能量，那我们宇宙中的能量和质量总和还可能会变化，那宇宙未来是膨胀还是收缩就更不确定了。如果我没记错的话，科幻小说《三体》中就出现了类似的情况。
除了暗物质和暗能量之外，标准模型还预测了宇宙的“形状”。


宇宙是无边无际的平坦空间吗？我们越飞越远？或者，宇宙类似一个闭合的球面？我们往一个方向飞还能转回到出发点？
我们无法直接触碰宇宙可能的边界，但根据来自地面与卫星的观测数据，以及计算了宇宙中物质分布的密度后，多数科学家认为宇宙是平坦的（注意这个平坦只是一个比喻，它是三维意义的“平坦”，而不是说宇宙是一个二维的“大平面”）。
三维下的“平坦”宇宙意味着，宇宙中包括能量、普通物质和暗物质在内的总体能量密度，应当精确地符合刚才所说的弗里德曼方程计算出的宇宙临界密度。这也意味着，在大尺度上，宇宙空间符合欧几里得几何。
所谓欧几里得几何就是在中学时学到的几何。一个简单的例子，“两条平行线永远不可能相交”似乎绝对正确。但对于我们这些生活在地球上的人来说，想象两条相交的平行线其实也并不困难。
比如在地球表面的两条经线，在赤道处看，就是平行的！但它们最终又会在南北极相交。这两条经线和它们之间的赤道，可以构成一个三角形，它的内角和大于180度。
但这并不代表我们在中学里学到的几何知识是错的，在我们日常生活范围的尺度上，地球表面可以近似地视为平面，因此仍然可以被视作欧氏空间。只有在很大的空间尺度上，我们才会意识到地球其实是个球体，其表面的直线和三角形遵循着与欧氏几何不同的规律——非欧几何。
类似的，在我们的日常生活中，光线似乎也遵循欧氏几何规律——沿直线传播。然而在更大的尺度上，比如光在星系间传播，却能发现光线的微小偏移。这种偏移有两种可能的解释：
光，仍然在欧氏空间中传播，只是一些星体的巨大引力导致了光线的偏斜——根据量子力学，光是由名为光子的粒子组成，也是会受到引力的作用；或者是，宇宙并非是我们熟悉的欧氏空间——宇宙是弯曲的，光线顺着空间的形状自己就“拐弯”了。


目前天文观测的结果是：宇宙是各向同性的。也就是说，无论我们向宇宙哪一个方向观察,所看到的都差不多。所谓“各向同性”与“均匀性”是两个概念。宇宙可以是均匀但不是各向同性,或各向同性但不是均匀的。“均匀”强调的是物质的分布，“各向同性”强调的是没有性质或本质上的区别。
所谓“各向同性”，类似于本文前面举的气球的例子：气球充气过程中，气球表面上任意一只虫子都会发现其他伙伴在远离自己，没有一个方向是例外的，但所有虫子都不是膨胀的中心。也如同处于任何一个星球的智慧生命都会发现四面八方的遥远星系都在远离自己，没有一个方向是例外的，但没有一个星球是宇宙膨胀的中心。
对于各向同性的三维空间是什么样子呢，以人类的认知水平无法想象，我们只能“降维”理解，从二维空间找灵感。
在二维空间中，各向同性的“欧氏空间”就是一个无限延伸的平面，而各向同性的“非欧空间”，即各处曲率相同的二维“非欧空间”只有两种可能的形状：一种是球体表面，这种空间是“闭合”的，因为沿一个方向走，最终能回到起点；另一种是类似马鞍的形状，这种空间是“开放”的，因为沿着一个方向走会距起点越来越远。
所以对于各向同性的三维宇宙，也可以想象有类似于二维空间中的可能性：也许宇宙是“平坦”的；或者沿着一个方向飞向宇宙深处，最终你能回到出发点；再或者，宇宙并不“平坦”，但你也回不到出发点，只会离起点越来越远。
目前，多数学者认为宇宙中物质和能量的密度与临界密度非常一致，宇宙学标准模型所预言的平坦宇宙的假说，是我们宇宙的现实。但也并非所有人都认为卫星的观测结果支持了宇宙学标准模型，他们从而得出宇宙的几何形状并不是平坦开放的，而是球形闭合的。一些主流科学家对此并不认可，也做出了一些反驳，比如认为宇宙曲率的变化其实是统计学上的偏差而已，最终还是会符合平坦宇宙的假设。
下面再简单说一下以上所介绍的包含暗能量、暗物质的宇宙学标准模型所面临的挑战——虽然写进了教科书，但也不可“迷信”。


包含暗能量和暗物质的宇宙学标准模型——ΛCDM模型，本质上还是个假设，仍在接受挑战和审查，只不过目前对于已有的观测结果，还基本说得通，所以被写进了教科书，成为了科学界的主流理论。但是，对于该理论假设的关键点——暗物质本质的发现，目前仍没有重大的突破。
几十年来，科学家们一直都在寻找暗物质。其中最有希望的候选者是大质量弱相互作用粒子（WIMP，weakly interacting massive particles）。WIMP不参与电磁相互作用，用电磁波进行观测的天文学家根本不可能发现它，但它却又能提供引力，维持着较高的星系自转速度。
几十年来对WIMP的搜寻，一次又一次地证明了它的发现难度之高，目前还没有人类发现它的确切证据。现在，对WIMP的搜寻已经到达了一个关键节点。如果将来还不能发现，那么，或者是现有的探测手段根本就无法发现WIMP，或者暗物质根本不是WIMP，再或者，暗物质可能根本就不存在。


暗物质始终不能真正被发现，不禁让人对该主流宇宙演化理论产生了怀疑——这条路会不会是错的？会不会根本就没有暗物质这种东西？
之前介绍过，暗物质是科学家们在解释星系自转异常时提出的，但其实，暗物质并非唯一的解释方法。还有一种理论名为MOND理论，全称为“修正牛顿动力学”（Modified Newtonian Dynamics）。
MOND理论，1983年由以色列物理学家莫德采·米尔格若姆（Mordehai Milgrom）率先提出。他指出在星系自转曲线中，有些现象是暗物质无法解释的。米尔格若姆认真考虑了引力理论出现偏差的可能，于是对引力理论进行了一个修正，并用修正后的引力理论重现了星系旋转曲线。
几十年来，MOND理论一直都是暗物质的替代理论和有力竞争者。2020年，捷克两位科学家对MOND理论进行重大改进——产生了RMOND理论，即“MOND理论的相对论版本”（Relativistic version of MOND）。
MOND系列理论与ΛCDM模型，是用完全不同的方法解释了同一个现象。ΛCDM模型假定宇宙中存在我们看不见的暗物质，产生了额外的引力，它最可能的候选者是WIMP。而MOND系列理论则猜测根本就没有什么暗物质，是我们的引力理论在星系尺度上根本不适用。这两种理论中，最多只能有一个是正确的（或者都不正确）。
ΛCDM模型是目前是教科书级别的公认理论，但在有些情况下其实也并不比MOND系列理论更有优势。此外，MOND系列理论和ΛCDM模型一样，两者也都还存在一些难以解释的问题（本文全部图片均来自bing）。

乐高可可

对宇宙学探讨的好文章，点赞

世界無真情

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飞旋的秋秋

[握手][握手]有深度的文章值得点赞，还望再多出好文，多介绍物理及宇宙学面临的还未解决的一些问题，共同努力，一起思考。[握手][握手]

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