闲聊宇宙学【转帖于李淼】

闲聊宇宙学（2） 我们前面说了，可观测到的宇宙在很大程度上可以说是有限的，这样就 可以解决牛顿力学时代的宇宙学中的两大问题，不稳定性和无限大星照 的问题。那么，有限的含义到底是什么呢？ 经常有人想当然地否定宇宙有限这个可能性，逻辑是任何小学生都会提 出来的：如果宇宙有限，那么宇宙之外是什么？用不着物理，数学本身 就有一个简单的回答。空间有限，我们通常的想象是这样的，一杯水的 容量是有限的，因为杯子有一个杯身，就是可能盛水的边界；一间屋子 是有限的，因为有墙壁。杯身之外当然还有空间，屋子的外面也有空间， 所以有限空间一定有边界和外面。因此常有人说，如果宇宙是有限的， 那么宇宙就有个边，这个边的外面是什么？总不会是上帝和如来佛的世 界吧？ 当然不是如来的西方极乐世界。要了解数学上如何解决这个问题，我们 先将就将就，将我们的三维物理世界变成低维的。有人会问，三维是什 么意思，低维又是什么意思？三维的意思是，在我们这个世界中，空间 有三个可以走的方向，前后是一个，左右是一个，上下又是一个。低维 的意思是，没有那么多的方向。比如一维，只有前后，如同一根线。在 这个线的世界上，我们如何解决宇宙的有限问题？如果是一根线段，有 两个短点，有限是有限了，但是有边界，就是端点，一维世界中的人会 问端点之外的世界是什么。如果我们将两个端点接起来，形成一个圆， 当然也是有限的，端点之外还是这个圆，一个一维的生物顺着圆走啊走 的，不会碰壁，走着走着又走回来了。现在发挥我们的想象力，开始研 究两维的世界，在这个世界中，不但有前后，还有左右。同样，一个矩 形或者一个有限的两维面，可以有边界。我们也可以想象一个没有边界 但是有限的两维面，如球面，或者一个轮胎面。在这个面上，一个两维 人无论如何走，总不会碰到边界，可能会走回来。下面是一个两维面的 模型。 在一个圆上，我们向前走或者向后走，迟早会走回来；在一个球面上， 我们向前向后，或者向左向右，也会走回来；那么，能不能想象我们的 宇宙是一个怪空间，无论你向前向后，向左向右，甚至向上向下，总是 鬼打墙般地走回来？数学上的回答是肯定的，的确有许多这样的空间， 最简单的是三维球面，一维圆和两维面的直接推广。我们很难直观地想 象这么一个空间，但是它是可以存在的。这时有人可能又不明白了，当 然这个人比前面的那些人聪明些。他说，一个两维球面是放在三维空间 中的，所以有里面和外面，那么一个三维球面不也是放在四维空间中的 吗，也有里面和外面，我们怎么看不到呢？ 这个问题的回答最简单了，根本没有那个四维空间。如果你不信，你可 以问另一个问题，一个两维的平面也是放在三维空间的，也有两个侧面， 那么一个无限大的三维空间是不是也是放在四维空间的，也有两个侧面？ 我们通常不会问这个问题，因为我们不承认四维空间是存在的。同样， 假如宇宙真是一个三维球面，为什么一定要有四维空间呢？ 当爱因斯坦开始研究宇宙学的时候，他知道过去理论存在的问题，所以 他假定宇宙是一个三维球面，而且是静态的。要知道，他的著名的引力 理论本来就假定空间和时间不一定是平平的和静态的，所以在他的理论 中很容易考虑三维球面，而一个三维球面不可能是平的。 后来事情的发展，证明爱因斯坦只对了一部分。我们的空间可能是有限 的，但却不是静态的，这就是有名的哈伯观测。哈伯在二十年代发现宇 宙是膨胀的，他的发现表明，宇宙肯定不是爱因斯坦的静态球面，就像 我们图中那样的宇宙。至少是一个一直膨胀的三维球面，很像一个正在 被充气的气球。 哈伯的发现到底是什么，他真的能丈量宇宙空间，然后发现宇宙象气球 一样膨胀吗？当然不是，天底下还没有一个那么长的尺子可以用来丈量 宇宙这么大的空间。顺便说一下我们能看到的宇宙有多大，先用专业术 语，宇宙的半径大约是一万兆秒差距。其中一兆就是一百万的意思，一 个秒差距大约是三个光年，一个光年就是光在一年中走的距离，光的速 度是每秒三十万公里。这是给一个直观印象，简单的数学表达是，宇宙 大约有十的二十八次方厘米那么大。所以，哈伯是不能来丈量宇宙的。 哈伯的发现是，所有星系的光度和星系发出光的红移成正比，当然这个 正比系数是负的，所以星系越暗，红移越大。 为了从这个很专业的表述中看出宇宙的膨胀，我们先得解释一下亮度和 红移。亮度很容易解释，假定星系原则上发出的光一样多（这当然是理 想情况），那么星系离得我们越远，亮度越小，天文学上的亮度的定义 正好是亮度的减弱与距离成正比。红移有点难些，却也是常见的现象。 坐过火车的人都知道，当对面开来一列火车而且响着笛子，笛子声比我 们平常听到的要尖锐些，当这列火车远离我们时，笛子声变沉了。这就 是红移现象：火车开向我们，笛子声的频率要高些，离开我们，笛子声 的频率要低些。对于可见光来说，频率高的发紫，频率低的发红。所以 当一个光源，如星系，离开我们时，我们看到的光偏红，就是红移了。 有人问了，那我怎么从来没有见过一辆车驶向我们时，车灯变蓝变紫， 或者，当我加速闯红灯时，红灯变成绿灯了？这很简单，光速太大，如 果你的车速远远小于光速，你根本看不到红移。这同时说明，哈伯看到 的有红移的星系，正在飞速地离开我们，其速度接近光速。 了解了哈伯的观测，我们可以解释他的观测了。他的结果就是，离我们 越远的星系，以越高的速度离开我们。这同样可以用膨胀的气球来解释。 在膨胀的气球上取两个点，随着气球的膨胀，它们越离越远，而且，离 开的速度与距离成正比。这个正比是个累计效应，假定两个很近的点以 一定的速度离开，第三个点以同样的速度离开第二个点，而以两倍的速 度离开第一点，如此累计下去。 爱氏在得知哈伯的结果时非常懊悔，他觉得他本该能预言宇宙膨胀的。 的确，在他那些复杂的方程中，他首先得到的就是膨胀的解，可是他觉 得有点麻烦，起码别人很难接受他的结果，所以他就稍稍修改了他的方 程，得到一个静态的三维球面解。 我们在最后这段谈谈理论，看看为什么老爱会得到膨胀的解，静态解又 是怎么回事儿。其实不需要老爱的非常漂亮但很复杂的理论，牛顿的引 力理论就可以解释。我们这就回到了一开始的问题，引力系统的不稳定 性。如果没有其它力存在（这对于星系和星系之间的关系是成立的）， 引力会造成塌缩。随着时间的增长，塌速的速度越来越大，到最后形成 灾难：内向爆炸。我们可以将这个过程拍成电影，倒过来放，我们看到 的是外向爆炸，随着时间的增长，物质飞离的速度越来越慢。牛顿引力 在倒放的过程中也是成立的，所以外爆的可能也是存在的，这就是膨胀。 宇宙膨胀的一开始是一个大爆炸，所以现代宇宙学又叫大爆炸宇宙学 （台湾叫大霹雳宇宙学）。与牛顿理论不同的是，在爱因斯坦的理论中， 大爆炸不是起源于一个点，而是所有的点，所有的点同时爆炸，就像一 个微小的气球一开始被突然充气一样，球面上所有的点都飞速离开其它 的点。爱氏的著名方程就预言这样的大爆炸，为了避免，他在方程中引 入了一个排斥项，因为这个项，星系之间除了引力外，还有排斥力，所 以大塌缩不可能，而其时间的反放，大爆炸也不可能。（严格地说来是 可能的，但可以安排它不发生） 虽然爱氏犯了一个错误引入了这个叫做宇宙学常数的一项而没有能够预 言大爆炸，最近的天文观测表明，还真有这么个宇宙排斥力存在，排斥 力的来源是所谓的暗能量。我现在得将我剩下的半杯咖啡喝完，但我不 能喝下咖啡杯中的宇宙学暗能量。

闲聊宇宙学（3） 我们在前两帖里谈了我们能看到的宇宙的总体图象，缺了许多细节，所 以现在回来谈谈细节。 我们的宇宙有多大，前面已经说过了，反正够光走一百亿年的。能够知 道这一点，已经是上世纪天文学了不起的成就了。如果用天文学中的距 离和时间来量度人类文明和科学的发展，你不得不惊叹人类的发展是何 等的迅速，不信的话，我们下面有机会就做个比较。 两千多年前，西方对宇宙的正统看法是亚里士多德和托勒密的看法，认 为地球是宇宙的中心，太阳、月亮和其它天体绕著地球转。这个看法本 身并没有太大的问题，因为运动本来是相对的，是你绕著我转还是我绕 著你转没有关系。到了将近五百年前，哥白尼说应当是地球和行星都绕 著太阳转，这个发现被认为是了不起的发现。哥白尼的转法和托勒密的 转法还是有点不同，因为有人可能误认为太阳每天绕地球转一次，其实 那是地球自转一次，地球绕太阳要一年的时间。关键还不在这种可能出 现的常识错误，而在於当我们将地球看作是绕太阳转了，我们其实在动 力学上的认识进了一步：太阳静止的那个参照系比较特别，就是那个惯 性定律满足得更好的参照系。 太阳离我们不太远，光只要走八分钟左右就到了地球，也就半盏茶的工 夫。那么太阳系有多大？如果我们将九大行星最外面的冥王星看成是太 阳系的边缘，那么光走完太阳系的半径要五个多小时，半天的工夫。真 正大的是银河系，这个巨大的星系中有一千亿个太阳，而尺度更是吓人： 光走过整个银河系要十万年。想想看，从猿人到现代人类不过几十万年 （就是说，从一个猴子到获得博士学位只花了一百万年左右），而在我 们的五千年文明史期间，光只走过了银河系的二十分之一。地球是挺大 的吧，可是光绕地球一周只要十分之一秒多一些。 当我们仰望星空时，我们看到不计其数的星星，其实只有银河系之内的 才真正是星星，我们看到的许多星星实际上和银河一样，是星系。由于 这些成千上万的星系离得我们太远，看起来才象发光的点一样。如果用 望远镜，可以看到更多的星系。 上个世纪人们花了很多时间才搞清楚，我们的宇宙在极大的范围里的确 是均匀的，可是在某个尺度以下却不均匀，有所谓等级成团的现象。这 个均匀的尺度当然非常巨大，大约是一亿秒差距（一秒差距是三光年）。 当然第一级成团是类似太阳系或者更简单的星星而已，接著是星系。星 系与星系之间的距离大概是五百万秒差距（一千五百万光年），星系又 形成所谓的星系团，这些星系团是由万有引力的作用成团的。星系团之 间的距离大约是两千五百万秒差距。在星系团之上，还有更大的结构， 就是超星系团。但超星团的形成与引力本身无关，可能要追溯到宇宙的 非常非常的早期。 我们原则上能看到的宇宙是一百亿光年的大小，而在这个尺度上宇宙早 已是均匀的，所以，爱因斯坦当年的所谓宇宙学原理是成立的。什么是 宇宙学原理？这是一个假设，为后来的天文观测所支持, 爱氏假定，宇 宙的物质分布是均匀的，而且在每个方向上都一样。这是一种彻底排除 任何宇宙中心的一种假定。 宇宙从能看到的星系的角度来看是均匀的，其实，从另一个角度就更加 均匀。这另一个角度和天上的光辐射有关，我们后面很快就提到。 一定会有人问，虽然我们能够看到的宇宙是均匀的，你怎么知道宇宙真 正是均匀的？因为可能有许多我们看不到的地方。这是个非常好的问题， 对这个问题的回答有两种。一种比较客观，对啊，你说的不错，宇宙可 能有许多我们看不到的地方，而且还有我们原则上看不到的地方，那些 地方的情况我们不清楚，但不妨碍我们应用爱因斯坦的理论，因为他的 理论用在我们看到的地方就足够我们反演宇宙的历史了。另一种比较实 证主义，我可以回答说，那些看不到的、原则上看不到的（就是说，无 论技术如何进步，物理原理告诉我们原则上看不到），关我们什么事？ 观测不到的东西对我来说不存在，我只关心我能看到的；这是物理世界， 我所要做到的是建立一个物理理论来解释我们看到的世界。这两种看法 都为物理界接受，其实持后一种看法的人不在少数。我就倾向于后一种 看法，因为这和我们在物理世界中排除上帝存在的方法是同一种方法。 由於等级成团的关系，越到大尺度上，物质的密度越小。地球是通常的 物质状态，以水为例，一立方厘米里有一克的水。化成纯粹的质量，相 当于一立方厘米中含有五乘十的二十三次方个质子。太阳系中的物质大 部分在太阳中，用我们前面说的太阳系半径来算，太阳系的物质密度是 每立方厘米中有一万亿个质子。一万亿个质子看起来是很大的数目，如 果化成克，就很小了，大约是每立方厘米中有一万亿分之一克。再看银 河系的密度，大约是每立方厘米中只有一个质子。最后，整个宇宙的平 均密度就更小，大约是每立方米中才有一个质子。所以，我们的宇宙真 是一个空空的宇宙，空得令人不寒而栗。 如果宇宙不是这么空，宇宙就不可能有这么大。虽然爱因斯坦的理论很 复杂，但我们还是可以做一个大概的估计，宇宙的半径和物质的密度的 平方根成反比。我们来看看，假如宇宙中的物质密度不是每立方米中才 有一个质子，假如物质的密度和太阳系的物质密度一样大的话（和我们 通常看到的物质密度相比，这已经很小很小了），那么宇宙的半径只有 十光年，而不是一百亿光年，从而宇宙的年龄和一个小学生差不多。假 如密度更大些，和地球的密度差不多，那么宇宙的半径光只要走五分钟， 和太阳离我们的距离差不多，这样的宇宙实在太小了。 宇宙在一如既往地膨胀著，作为一般人，很可能最关心宇宙的未来会是 什么样子。作为宇宙学家，关心的问题恰恰相反，他们最关心宇宙的过 去是什么样子。 将来当然决定于过去。与考古学类似，宇宙学作为一种实证科学，必须 靠研究宇宙史留下的化石，结合我们的物理知识，来“推测”过去。如 果过去不能研究清楚，一些关键的细节不能确定，将来就很难预测。何 况，宇宙尺度上的将来实在是太遥远的将来，与我们的目前没有太大的 关系。不是说过吗，当人类从新石器时代走到网络时代，光只穿过银河 系的二十分之一！ 宇宙现在是膨胀著的，过去当然也是膨胀著的，就像一个越来越大的气 球。在宇宙的早期，由於类似三维球的这个空间很小，物质的密度就很 大，温度也就非常高，高到不仅可以融化一般形态的物质，而且会融化 原子核，所以，那个时候我们必须应用核物理的知识来研究宇宙，这样 我们就可以“预言”宇宙中各种原子核所占的比重，甚至其它奇怪的物 质形态和其它的粒子。我们下次再介绍这些。 最后，我们必须提一下，我们目前并不能肯定可以看到的宇宙就是我们 上一次介绍过的三维球，很可能不是。有一种可能是，宇宙在更大的、 我们原则上看不到的尺度上完全不同，有这样那样的可能。而相对论告 诉我们，没有比光更快的东西了，所以我们看到的只是光在力所能及的 范围内能告诉我们的。光速有限，从一个很远的地方到我们的地球需要 花时间。越是遥远的东西，我们现在看到的是它过去的形像。而过去宇 宙的密度比今天大，温度比今天高。一定有一个时间，其温度高到光在 里面走不远，也就是不透明的。那个时代，是我们能看到的极限。光从 那个时代走到现在的距离，叫做粒子视界（多么奇怪的名字）。粒子视 界之外的世界如何，我们不得而知。

闲聊宇宙学（4） 振作一下精神回到科普这个话题上来。上回讲到我们这个宇宙从观测的角度来 说是有限的，这一回谈谈宇宙的历史。 谈历史之前，有必要谈谈时间这个概念。时间在物理上的定义并不比常人的感 受更高明，常人的经验是，时间在流动着，有别于空间。空间的概念也很直观， 在空间中有一些东西，要标明这些东西在哪里，我们要作记号。物理上，可以 用数字作为记号，而每个物体或者点需要至少三个数字来标志，这就是说我们 的空间是三维的。前面已经说过，常人经验中的三维就是前后、左右、上下。 每一个维度在两边都无限延伸，可以用实数来表示。那么三维的意思是我们空 间中每一个点必须用三个实数来表示。时间在感觉上虽然有别于空间，同样也 是用一个实数来标志，简单的就是昨天几点几分，明天几点几分。一般人的聪 明程度和过去的大哲学家如康德一样，觉得时间是独立于空间的。当然康德本 人是个天文学家，想到时间有起始和终结的可能。物理上，我们用运动这个概 念来定义时间。没有运动，也就没有了时间，假定一切是静止的，包括人的吃 饭穿衣思维都没有了，钟也不转了，当然就无从谈时间。所以时间是运动的一 个性质，我们可以用时钟来标志时间，恰恰因为时钟本身就是一种运动。 在相对论中，时间和空间一样，定义都是用物理操作的办法。这样定义出的时 空居然有令人意想不到的联系，例如在两个相对运动的参照系中，两个事件发 生的空间距离和时间间隔可以完全不一样，物理的定义给出反直觉的结果。而 过去一些哲学家脑袋中的符合直觉的所谓先验空间和时间，反而是虚幻的东西。 正因为物理学的进步不断告诉我们哲学家的想象力的贫乏，我从此不相信任何 研究先验理论的人，包括大部份哲学家，一部份政治家，一部份经济学家。 宇宙学的研究表明，时间也许在将来是无限的，在过去却不是，有一个起点， 就是大爆炸的那一点。在大爆炸之前，已经没有了时间的可操作的定义，从而 “大爆炸之前”这个概念是错误的，如同第二个时间维度一样错误。没有了操 作上的定义，也就没有了矛盾。 时间也是一个相对的概念，很象苏东坡先生在《赤壁赋》中所说“盖将自其变 者而观之，而天地曾不能一瞬；自其不变者而观之，则物与我皆无尽也”，强 调一个变字。用物理手段可以测量到的最小时间，是一个不稳定粒子的寿命， 大概是一秒的10的负25方，真可以说是一瞬了。这个寿命和人类的寿命比起来， 差了10的34次方倍。我们再看长时间的标度，海枯石烂，不会比地球的年龄更 长，地球存在了46亿年，和一个人的寿命差了一亿倍。但人和最短寿的粒子比， 差了远远不止一亿倍，所以苏轼的话似乎应当这么说，以变者相对而观之，则 物与我皆无尽也，这里变者是那个可怜的粒子。 宇宙的寿命，相对于地球来说，也没有长得太多，最近的数据表明，大概是140 亿年左右。地球年龄的测定是依靠同位素的丰度，而宇宙的年龄是如何测出来 的呢？这个问题我们暂时不回答，先大致回顾一下上世纪宇宙学的发展史。 宇宙学类似考古学，实验的唯一手段是研究化石。可以说，哈勃红移关系也是 一种化石，因为我们看到的遥远的天体是许多年前的情形。除了天体以外，宇 宙中还有各种不同形式的物质，其中最重要的大概是宇宙微波背景辐射。 我们说过，现在的宇宙在膨胀。引力理论告诉我们，宇宙过去也一直是膨胀的， 那么过去的物质密度就应当比现在高，如果能量不会无中生有的话。当物质的 密度很高时，所有的物质形式都处于一个热平衡状态，宇宙有一个温度。随着 宇宙的膨胀，温度降低，渐渐地一部份粒子和另一部份粒子不再发生足够的相 互作用，开始有各自的温度。我们叫这种现象为脱耦。光也有一个与物质脱耦 的时间，那个时候温度大概是三千度，时间大约是大爆炸发生后十万年左右。 自那以后，光几乎不再和其它任何物质发生关系，自身独立地演化。演化到今 天，温度就很低了，大约是2.7度（绝对温度，即零下270摄氏度），对应的光 的波长是一个厘米，所以叫微波辐射。 微波背景辐射是1964年被彭齐亚斯和威尔逊完全意外地发现的。他们当时为了 改进通讯雷达，测量来自银晕的气体辐射，结果发现有一种干扰无论如何调节 方向都无法消除，说明这种辐射噪声不是来自于某些天体，而是无所不在。 微波背景辐射有一个非常均匀的特征，说明应当是宇宙的早期化石，因为宇宙 只有在很早的时候才会很均匀，现在我们看到的宇宙在超星系团的尺度上已经 非常不均匀了。的确，早在上世纪四十年代，伽莫夫、海尔曼和阿尔法已经预 言了微波背景辐射，而比较精确的温度预言狄基和皮帕尔斯作出的。 彭齐亚斯和威尔逊由此获得1978年度诺贝尔物理奖，这是宇宙学观测中的第一 个奖。宇宙学理论方面的发展在过去半个世纪是惊人的，但还没有一个理论家 获奖，有人说，这大概和祖师爷爱因斯坦没有因此获奖有关。当然，哈勃也没 有获得诺奖。

闲聊宇宙学（5） 宇宙学家如同考古学家，基本上只关心过去，很少关心未来。原因非常简单，因为 宇宙的记忆如同我们的记忆，是单方向的，化石只是“过去”的化石，没有未来的 化石。 由于物理学的因果性（这可是被隔壁的业余政治家们讨论烂掉的话题），如果我们 对过去或者现在了解得足够多，就可以精确地预言未来。拉普拉斯曾经狂妄地宣称， 如果你告诉我所有粒子的位置和速度，我可以告诉你未来的一切。 物理学有因果律，即便将量子论包括在内，还是有因果律。涉及到人类，因果性存 在不存在就有很大争议了。有彻底的还原主义者认为人类的一切行为都是预先确定 的。另一个极端是人有自由意志，从而是完全不可预测的。 宇宙学中似乎有一个不公开的共识，就是无论人有自由意志与否，人类社会对宇宙 的影响是可以忽略的－当然，物理学家戴森（F. Dyson）有稍微不同的看法，在他 看来，将来的有智力的生物可能得用宇宙的时空尺度来衡量，我们最后再谈一下为 啥他这么说。 宇宙学是一个大范围的学问，大到银河系甚至星系团只是用一个质点来代表，所以， 许多我们人类关心的问题统统可以忽略。除了在宇宙的早期，决定宇宙演化的只有 一个因素，就是万有引力。由于万有引力的普适性，宇宙物质的组成部分的许多具 体细节并不重要，重要的是它们的动力学性质。所以，人们将现在宇宙中存在的能 量分成以下三种： （1）相对论性物质，指的是组成这些物质的粒子以接近光速的速度无规地运动。目 前，公认还存在的相对论性物质有两种，一种是光子，以微波背景辐射的方式存在， 它的能量密度是宇宙学测量中最为精准的，已达到万分之一的准确度。第二种是中 微子，一种很轻的几乎和所有粒子没有相互作用的粒子，其对能量密度的贡献可能 比光子稍低。但如果中微子的质量不是太小，可能是非相对论性物质，这个可能性 还很大。相对论性物质对宇宙总物质密度的贡献可以忽略，大概是万分之一。 （2）非相对论性物质，包括组成我们的质子、中子、电子，还有就是所谓的暗物质。 这些暗物质组成物质的绝大部分。 （3）暗能量。这种能量不能解释为正常的物质，因为暗能量有一个非常奇怪的特性： 当能量膨胀时，它对外界做负功，所以压强是负的。也就是说，和气球膨胀相反。 我们通常指的银河系等等天体都是由非相对论性物质组成的。即使其中有许多相对 论性物质，大范围来说，效果也是非相对论性的，因为星系作为一个质点，其特征 速度（这个词不好翻译：peculiar velocity）比光速小得多。记得我刚开始做研究 时，流行的看法是，我们的宇宙主要由这些物质组成的。但那个时候已经开始谈论 暗物质了，这些物质可能完全不同于我们在地球上、在太阳系中看到的物质，它们 不发光，它们的存在完全是通过引力作用探测到的。这在星系、星系团中是如此， 在大范围宇宙学中也是如此。 为什么我们将大范围宇宙学与更一般的天体测量分开？原因是，宇宙学演化需要几 个重要的参数。这些参数的自洽要求必须有暗物质存在。奇怪的是，在所有形式的 物质中，暗物质可能占了百分之九十还多！ 不过，十年前大家认为宇宙中的能量主要来自于暗物质和一般的物质，这种想法在 几年前开始被改变了。 非常可能，我们宇宙中的能量，物质只占了百分之二十到三十，其余的部分是暗能 量，就是压强为负的能量。暗能量的存在，会加速宇宙的膨胀。过去，我们以为宇 宙虽然在膨胀，但膨胀的速度在减慢，在非常遥远的未来，膨胀的速度可能下降为 零，甚至变成负的－宇宙可能收缩。 但这个观点现在不再流行，甚至非常可能是错的。暗能量的存在，使得宇宙不断地 加速，而加速的结果是，物质密度越来越小，暗能量密度基本不变。暗能量密度之 所以不变正是因为暗能量的负压强：虽然宇宙膨胀了，但膨胀会对暗能量做功，使 得总的能量变大，而能量密度不变。普通物质的能量密度只会降低，因为压强是正 的。暗能量最基本的形式其实是爱因斯坦很早就提出的，那个时候叫做宇宙学常数， 宇宙学常数的存在使得引力有一部分是排斥力，这样宇宙才会加速膨胀。 这个令人惊讶的结果的直接来源是对Ia超新星观测得到的。我们前面说过，哈勃定 律说越是遥远的天体，红移越大，因为它们离开我们的速度越大。如果速度与距离 成正比，哈勃关系是一个线性关系。如果宇宙在加速膨胀，那么对于遥远的超新星 来说，红移比线性的要大些。 从宇宙学来说，我们也需要一个暗能量。观测宇宙的一个重要结果是（来自于微波 背景辐射），我们的宇宙在空间上是平坦的。这就要求总的能量密度是所谓的临界 密度，可是普通的物质包括暗物质达不到临界密度。 宇宙现在为暗能量所主导，它无处不在，密度均匀。虽然一间房子里的暗能量不过 几百个质子那么大，但宇宙在其主导下加速膨胀。一般物质的密度越来越小，这样 的话，世界还没有实现大同，我们的宇宙已经没有多少能源了。当然，这是上百亿 年后将发生的事。 戴森曾经问过，如果这样，那么智能生物如何生存下去？在能源稀少的情况下，只 有一种可能，就是生物体必须越来越大，大到比银河系还要大，生物运动的速度越 来越低。 这虽然比彻底灭绝要好些，但不是一个乐观的前景。

附件。 【 在 phyphy 的大作中提到: 】 : 闲聊宇宙学（5） : 宇宙学家如同考古学家，基本上只关心过去，很少关心未来。原因非常简单，因为 : 宇宙的记忆如同我们的记忆，是单方向的，化石只是“过去”的化石，没有未来的 : ................... 附件(387.9KB) string.pdf

为什么我只看到“偶然来到xx”…… 【 在 phyphy (cosmology) 的大作中提到: 】 : 闲聊宇宙学（1） : 今天照旧起得晚，吃完饭后什么事也不想干。突然想起几乎是一整年前， : 我不知咋的鬼迷心窍，开始在网上写起了本行当的“科普”，从那开始 : ...................

哇i 【 在 phyphy (cosmology) 的大作中提到: 】 : 闲聊宇宙学（1） : 今天照旧起得晚，吃完饭后什么事也不想干。突然想起几乎是一整年前， : 我不知咋的鬼迷心窍，开始在网上写起了本行当的“科普”，从那开始 : ...................

啊。为什么 【 在 IkariShinji ([路]团长|碇シンジ|油菜花三人组之菜农) 的大作中提到: 】 : 为什么我只看到“偶然来到xx”……

生物体越来越大。。。巨人？