【CC演讲】蔡一夫:暗能量、宇宙的多种命运及多宇宙的猜想
导语
从哥白尼、伽利略、牛顿、马赫，到爱因斯坦的科学理论，到哈勃的科学观测技术，指导我们认识了暗物质、暗能量的存在，并了解到是暗能量推动了我们宇宙的加速膨胀，宇宙将走向大坍缩、大撕裂或循环震荡的终极命运，更甚至在我们生活的宇宙外，还存在着多个宇宙。
蔡一夫
中国科学技术大学物理学院天文学系教授
今天和大家聊的话题，是我们人类作为智慧生命的典型性的代表，与我们生活的宇宙之间，到底是什么样的关系？我们人类是否是处在宇宙的中心呢？
现代科学的第一门学科——天文学的诞生
关于这个话题的探索，推动了我们人类文明史的不断发展，特别是追溯到大约2000多年前，我们还处在古希腊一个先贤所生活的哲学时代的时候，成系统的建立起了一个叫做“地心说”的观点，而且这个宇宙观统治了我们人类对世界的认知大约1500多年。一直到15世纪由哥白尼提出了“日心说”，把我们人类所生活的地球从宇宙的中心请到了一边，取而代之的是太阳。哥白尼的“日心说”提出之后，它启发了另外一位伟大的科学家伽利略。伽利略基于长期的实验观测以及经验归纳，他提出了一个“绝对惯性系”的概念。伽利略同时也是第一位将望远镜的目光投向太空用于天文观测，而这一事件，正式标志着我们人类文明史上的现代科学的第一门学科——天文学的诞生。
否定、质疑与继承使科学理论不断完善
伽利略又启发了另外一位科学史上的巨匠牛顿。牛顿基于“绝对惯性系”观点提出了“绝对时空观”的概念，并且整理出来了“牛顿三大定律”。无论是哥白尼、伽利略、还是牛顿，他们这些前辈们的贡献，为后来我们大约两百多年的物理科学的持续和繁荣发展奠定了坚实的基础。特别是牛顿，他为了论证我们是生活在一个绝对时空当中的观点的成立，提出了一个所谓“牛顿水桶”的理想实验，并且非常得意地论证说，我证明了宇宙的绝对时空的存在。但是很快他的这个观点，被另外一位年轻的科学哲学家马赫提出了置疑。马赫的置疑启发了另外一位科学史上的一位巨匠爱因斯坦。爱因斯坦认为我们的时空并不需要是绝对时空，而是一个相对的时空。人类在一个有引力的环境下，例如说在地球表面我们每天看见的车水马龙，这都是一些运动的物体。根据这些运动物体，去总结出他们的运动规律。然后我们把人关在一个封闭的火箭中，并且把它发射到外太空，那么在这个加速的火箭当中，他如果同样去做物体运动的这些实验，他所归纳总结出来的规律，应当和我们生活在地球表面的规律是一样的。这就意味着我们没有一个所谓的“绝对时空”的概念，所以在1905年的时候，爱因斯坦就提出来了“狭义相对论”，建立起了一个相对论的时空观，并在那之后十年的时间，把这个理论推广发展成了“广义相对论”。
在广义相对论的框架下他进一步认为，我们宇宙的时空是可以发生弯曲的。他说我们不需要引力，之所以我们看到有所谓的引力效应，是因为太阳将他周边的时空发生了弯曲，而发生弯曲的原因是太阳是有质量的，地球所选择的一条轨迹，只不过是在它看来最便捷、最直接的一条途径。在此之后，他的理论做出来了一系列重要的预言，包括爱因斯坦本人在1916年做出的一个理论预言：弯曲的时空当中是可以存在引力波的。这一理论预言经历了整整一百年的努力，到2016年由美国的激光干涉引力波实验室天文台，通过双黑洞并合的方式验证了引力波的存在。既然爱因斯坦认为我们的时空是可以弯曲的，如果把它应用到我们宇宙的时空当中，我们还需要认为我们的宇宙是一个静态宇宙吗？这个观点事实上最早也是一个哲学上的思辨观点，并且它影响了一代又一代伟大的科学家，包括牛顿、爱因斯坦，特别是爱因斯坦在早期提出广义相对论后，他应用到宇宙背景的时候，他提出来的第一个宇宙学模型，是描述了一个静态宇宙学模型，并且为此他还引入了一个叫做“宇宙学常数”的一个参数，来保持这个宇宙是静态。最后事实证明这是他的一个错误，所以他把这个东西给抛弃了，并且他还说这是他一生中犯过最大的错误。
宇宙是静态的吗？
关于宇宙是否是静态，还有另外一个讨论，就是所谓的“奥伯斯佯谬”。奥伯斯佯谬有几个假设：第一，他认为我们宇宙是无穷大的；第二，他认为我们宇宙是永恒的；第三，他认为宇宙空间是平坦；最后，他认为如果我们宇宙是静止的话，太阳下山夜幕降临的时候，生活在地球上的我们抬起头去看夜空的时候，我们理应看到的是一个缀满各种星光的，非常非常之璀璨的夜幕，而不是今天我们看到的这么一个零零散散的缀着几颗星的夜幕。这是因为如果我们沿着任何一个角度，任何一个方向望过去，总会在有限的时间内遇上一颗星，而这颗星所发出的星光，应当早就照射到地球表面。当然我们没有看到这一幕，所以这背后一定有地方是错误的，在哪儿出了错呢？
加速膨胀的宇宙证明我们不在其中心
在1930年，一位伟大的美国天文学家哈勃，他用自己研制的当时非常先进的一个光学望远镜，对于近邻星系中的造父变星进行观测，他意外发现，这些造父变星正在远离我们而去，并且他还发现，这些星系，如果离我们越远的话，他退行速度会越快。这就意味着，我们的宇宙不是静态的，而是一个膨胀的宇宙。在足够遥远的这些星系，如果它们的星光照射过来，但是由于我们的宇宙本身是膨胀的，那么这些星光是永远照射不到我们的地球之上的，这就解释了奥伯斯佯谬的困难。那么这个发现是不是意味着，我们人类又回到了宇宙的中心呢？
为了理解这个问题，我们需要把我们人类这个智慧生命对宇宙的认知的眼光，放到更大的尺度，我们不仅仅要停留在一个邻近星系，我们要把它直接拉到例如可观测的一个宇宙尺度，例如说有三百亿光年的一个尺度，那么我们会发现，我们的宇宙事实上在这个大的尺度上，是满足各向均匀，各向同性的性质的，也就是说你在做星际旅行时，跑了几十亿光年之后，你会发现所看到的结构，所看到的一幕，跟你之前的出发点没有太大的区别，这叫做宇宙学原理，并且它得到了一系列的实验观测的证实。有两个很重要的证据，一个是宇宙在创生之后大概38万年的时候，给自己做了一个自拍照，叫做宇宙微波背景辐射。还有一个就是我们直接用光学或者射电望远镜对我们的宇宙的这些星系结构进行扫描，得到了一个所谓的大尺度结构巡天的宇宙地图。无论是哪一个地图都告诉我们，我们的宇宙是满足各向均匀各向同性的。因此尽管我们人类所生活的环境似乎在一个近邻的退行环境当中是一个中心，但是放眼在整个可观测宇宙的范围，它并不是一个宇宙的中心。
宇宙的形态是怎样的
我们有了宇宙学原理、有了广义相对论，我们还有了一系列天文学、宇宙学观测技术，我们理论上就可以猜测我们宇宙的空间，它可能是一个开放的，可能是一个闭合的，也可能是一个平坦的。那么对于不同的这些模型，它所给出的宇宙地图，也就是宇宙微波背景辐射的这张照片，样子应该是不一样的。那么我们把这个照片、理论上预言出来的照片，和我们真实宇宙自拍的一张照片进行比较，发现我们的宇宙时空是接近于平坦的。
考古宇宙的诞生
我们还可以通过今天宇宙演化的状态，随着时间进行反演去追溯，可以对宇宙进行考古，去了解我们宇宙在过去，曾经发生过的各种历史。我们有理由相信我们宇宙，是经历了一百三十八亿年的一个热膨胀的历史，而在一百三十八亿年前的时候，我们也有理由相信，我们的宇宙有可能是来自叫做热大爆炸奇点的一个时空奇点。在那之后大约10-30秒的时间里面，我们宇宙的体积被放大了1080倍，这叫做暴涨。而在之后大约38万年，宇宙在它的婴儿时期给自己做了一个自拍照，也就是宇宙微波背景辐射的由来。在这之后，我们的宇宙曾经经历过一个不大不小的叫做黑暗时代的时期，大约四亿年后，第一代恒星被点燃，并且之后，我们的宇宙就开始了非常之波澜壮阔的，尺度结构的形成与演化的过程，包括我们后来银河系，以及银河系中的太阳系，再包括地球的诞生，都是源自这么一个时代。
暗能量促使宇宙做加速膨胀
我们还发现今天的宇宙，正在经历一个让大家觉得很意外的状态，就是加速膨胀的一个状态。推动加速膨胀的一个成分，叫做暗能量。例如在座各位，我们用肉眼能看到的一切，都把它叫做可见物质。我们发现在宇宙中可见物质所占的比分，竟然不到5%，而剩下的95%的宇宙被称之为黑暗宇宙，因为这95%的比分中，有25%是暗物质，还剩下70%，就是最主要的部分全部都是暗能量。
暗能量的最重要的作用，就是为了解释我们今天的宇宙正在经历的加速膨胀的过程。而这个发现是由三位科学家在1998年带领的两个超行星观测小组，进行实验最终揭示的一个现象。在之前，这两个组分别都是期待着测量我们宇宙是在减速，并且定义了一个减速因子，但是实验发现，这个结果是负的，当时令所有的宇宙学家、物理学家都非常之震惊，也因为如此他们的发现被授予了2011年的诺贝尔物理学奖。我们了解了我们的宇宙正在加速膨胀，并且背后驱动它的是暗能量。通过暗能量的观测，我们能够对宇宙的命运进行一个小小的窥视。
宇宙命运之“大坍缩”
在1998年发现暗能量后，很快就有一些物理学家，例如说Paul Steinhardt，他建议说，我们可能是一个标量场，我们把它叫做精质场模型，精质场是通过自己的势能去推动宇宙今天的加速膨胀。这就意味着，在未来有限的时间，例如说一百亿年甚至一百五十亿年之后，它的能量会耗散掉，也就意味着我们宇宙最终还是会回到一个减速，并且在一个有限的时间内会收缩，最终所有的物质会坍缩到一个点上。所以我们把这个命运，叫做大坍缩的命运。
宇宙命运之“大撕裂”
还有一个有趣的模型叫做幽灵模型，这个模型是以我的一个忘年交的朋友Robert Caldwell，一位美国的物理学家为代表。幽灵模型非常有趣的是，它会让我们的宇宙不仅是在经历加速膨胀，而且这个加速度也在变大，也意味着在未来有限的时间，例如说两百亿年甚至三百亿年之后，我们的宇宙所有的一切，都会被撕成粉碎，包括我们已知的这些原子分子，这些基本粒子最终会被撕得粉碎，我们把这个命运叫做大撕裂。
宇宙命运之“循环/震荡”
从这两种命运大家可以看出来，似乎我们宇宙要么就是大坍缩，要么就是大撕裂，总是逃不过一个时空的奇点问题。在2003年的时候，我们中国的宇宙学家作出了一个非常重要、在国际上的贡献，就是以我的博士导师张新民老师为代表的一帮中国宇宙学家，提出了一个新的模型，叫做精灵模型。从这个名词上大家可以看出来，精灵模型是精质模型和幽灵模型的结合。后来在2006年、2007年时，我和我的导师在一起，指出这一类模型会给出一个新的宇宙演化的命运，就是一个振荡宇宙的命运。
不管是哪一种模型，它都是动力学，都会让宇宙在不停地演化。但是回到前面我所提到的1920年，爱因斯坦提出第一个宇宙学模型的时候，他引入了一个叫做“宇宙学常数”的东西。1998年我们发现宇宙加速膨胀的时候，我们非常尴尬地发现没有任何一个模型能够解释它，于是我们就在寻找过往的文献当中，在爱因斯坦的一个废纸篓里找到了这个宇宙常数。我们发现，对它做一个小小的调整，它就能够解释我们宇宙加速膨胀，这也通常被解释为是来自一个真空能的概念，而且它认为我们宇宙的命运，是将进入一个所谓的永恒的加速膨胀。一个永恒的加速膨胀，意味着什么呢？
多宇宙的存在猜想
假如说我们人类作为智慧生命的一种，生活在银河系这种星系环境中，在遥远的一个宇宙的角落，有另外一个智慧生命。他们也生活在一个宜居的星系当中，也许有一天，我们会通过电磁信号，或者引力波信号，甚至通过量子信息来进行通讯。我们总会遇到另外一个智慧生命，并且与之交朋友，但是如果我们宇宙始终在永恒地加速膨胀，就意味着，我们所发射出来的讯息，和接受讯息的时间会越来越长，并且在最终有限的时间内，我们永远听不到来自另外一个星系的智慧生命的讯息。我们可以说，我们生活在我们的一个宇宙，而他们生活在他们的一个宇宙，这就是所谓的多宇宙的一个理论。
“人择原理”学说
难道智慧生命代表的人类，真的就是宇宙的中心吗？为了解释我们今天所看到的宇宙，有一种学说叫做“我在故我思”的人择原理，持这种观念的宇宙学家、物理学家有很多。
我在这里只是引用了一个朋友，就是布莱恩·葛林，他说我们宇宙之所以看起来像今天我们所看到的这个样子，是因为如果我们对宇宙学常数进行一个精细的调节，例如说在小数点后一百二十个零后做一个小小的调整，那么这个宇宙都不会像今天这个样子，于是就没法通过在这个环境当中，去用那些宇宙中的尘埃去筛选演化，去形成智慧生命，例如我们人类。如果没有这些人类的话，我们又怎么可能站在这儿去问这样的一个问题呢？
结束语
接下来我们想给大家呈现的，是我的一个观点，我认为：在这个宇宙中，最难以想象，最令人不可思议的是，源自宇宙的尘埃当中的我们人类，却有能力去认知、去了解如此浩瀚、如此广阔的宇宙。
编辑：刘军
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