预测宇宙的未来

( 《大设计》 )

2010年9月9日，剑桥大学的霍金教授出了一本新书《大设计》（The Grand Design），这本书出版前几周，英国媒体就以报道英超联赛的热情介绍书中的内容，我在出版当天就在剑桥的Heffers书店买了一本，全书彩色双面铜版纸印刷，装帧精美。在这本书的开篇，霍教授就像文学青年一样苦苦追问宇宙和生命的意义：宇宙是如何运行的，真实的本质是什么，一切从何而来，宇宙是否需要一个创世主，宇宙的未来是什么？在以前这些问题都会算作是哲学问题，但是霍教授马上就抛出了触目惊心的一句话——“哲学已死”，遥遥地与尼采在《查拉图斯特拉如是说》中的“上帝已死”相呼应。全书仍然是从大处着眼，探讨宇宙中的规律：“让人自然联想起爱因斯坦曾经说过的一句话：‘宇宙最难让人理解的地方就是，它居然是可以被理解的。’”

曾经有一个英国读者写信问霍金，如果他有机会问爱因斯坦一个问题，他会问什么。霍金给他回信说，他会问问爱因斯坦为什么不相信黑洞（Black Hole）理论。这个问题并不奇怪，霍金是现在世界上最有名的理论物理学家和宇宙学家，他最著名的研究就是黑洞辐射问题，通常被通俗地称为“霍金蒸发”。黑洞是一种密度极大的天体，人们认为所有物质甚至包括光线都不能从黑洞的引力中逃脱，但是霍金根据量子力学的不确定性原理，推导出有些粒子会以超光速从黑洞中逃逸，因此黑洞也会缓慢地蒸发消失，虽然这个过程会非常漫长。

霍金也曾经被邀请预测我们这个宇宙的未来，他的预测显得有些诚惶诚恐。他深知预言这活儿不好做，模棱两可才是立身之本。古代吕底亚的国王克洛伊索斯询问神谕，如果他进攻波斯王国会有什么结果，得到的回答是一个伟大的王国将会倒下，克洛伊索斯还以为神谕说的是波斯王朝，于是他大举进攻，结果是他自己的王国从此消失，而他自己则被绑在火刑柱上差点被活活烧死。

历史上有太多人预言过世界末日，最新的末日预测是根据玛雅人的历法，2012年世界将会毁灭，不过现在已经没有太多人相信这个说法。歌手黄舒骏就说我们哪有这么幸运，见证世界末日的来临，又不是VIP。不过，的确有些世界末日的预言甚至引起了股市的震荡，这让霍教授感到很难理解：如果世界末日真的来临了，那么股票和现金显然你一样也拿不走。如果说古代巫师的预测不可信，那么科学家的预测也没有好太多，我们看看天气预报的准确度就可以知道。5天之内的天气还可以通过气象卫星和计算数学模型知道大概，但是要预测很久之后的天气则需要精确地掌握现在的天气、掌握历史的天气资料，并且进行极其复杂的计算，这几乎不可能做得到。即使我们掌握了事物的运行规律甚至是准确的数学公式，但是初始值的一点微小的变化也会影响之后的演变，使之变得无法预测，对宇宙的预测也同样如此。

目前科学界认为宇宙诞生于大约137亿年前的一次奇点大爆炸，宇宙从爆炸初期的极高密度和极高温度状态下逐渐扩散和冷却，而当时爆炸产生的微波辐射现在仍然回荡在宇宙空间里。如果你家里还有老式的显像管电视，打开一个空白频道，电视上显示的雪花点有大概百分之几就来自太阳系以外的微波辐射。这和我们家用的微波炉并没有太大的不同，只是能量太低，用它来加热食物的话只能把食物从绝对零度（零下273.15摄氏度）加热到大概零下270摄氏度。在宇宙中各种微小的扰动同样可能对以后的结果造成极大的干扰，比如我们现在可以预测第二天日出的时间，但是10亿年之后地球会不会和金星撞在一起则是谁也说不准的事。如今我们不再认为自己身处宇宙的中心，而是知道我们只是孤零零地生活在宇宙一隅的一颗蓝色行星上面，但通过测量宇宙大爆炸背景辐射，我们发现来自所有方向的宇宙背景辐射都是一样的——任何方向上的宇宙背景辐射差别都在万分之一以内。

( 史蒂芬·霍金 )

那么，霍金教授问道，如果我们不是身处宇宙的中心，这又如何解释呢？这说明宇宙在大的尺度上是简单并且对称的，在大尺度上，宇宙的密度是相等的。从这一点上来说，我们也许可以预测宇宙，虽然我们没有机会知道我们的预测正确与否。

那么，宇宙的未来究竟会怎么样呢？宇宙会永远这样膨胀下去呢？这可未必。霍金教授说，通过观察星系间的运动，宇宙学家们发现，星系之间存在引力，引力的方向与星系间运动的方向相反，它有可能使宇宙的膨胀减速，甚至有可能因为引力的牵引，使星系之间重新聚在一起，也就是宇宙学家们形容的“再塌缩”（Recollapse），重新变成一个质量和密度无限大的点，等待下一次宇宙大爆炸。

宇宙学家们计算出，如果宇宙的密度达到某一个临界值，那么宇宙就可能发生再塌缩。那么我们的宇宙是否达到了这个密度呢？答案是开放性的，换句话说就是我们不知道。如果把目前见到的甚至是预测到的所有星系的质量都加起来，宇宙的总密度也还不到这个临界密度的百分之一，但是，宇宙的质量可不仅仅是由我们看得到的东西构成的，还可能存在着大量的暗物质，我们目前虽然没办法直接探测到暗物质，但是有大量的证据显示了暗物质的存在。宇宙中有大量螺旋状的星系围绕着一个核心高速旋转却没有散开，说明在螺旋星系的中心存在着一个质量巨大的核心，这就有可能是暗物质。宇宙中可能存在着大量的暗物质，还存在着大量的黑洞，如果把这些物质的质量也都计算进去呢？这个质量仍然不到再塌缩的临界密度的百分之十。从这里我们更可以看出初始状态对于宇宙发展的影响，在宇宙大爆炸的一秒钟之后，必须仔细选择宇宙密度和扩张的速度，才能得到一个稳定的宇宙：假设我们的宇宙的密度确实是临界密度的百分之十的话，如果当时宇宙的密度比实际大上一万亿分之一，那么整个宇宙将会在10年内再塌缩；相反的，如果当时宇宙的密度比实际小上一万亿分之一，那么整个宇宙将会在10年内变得空空如也。那为什么这次宇宙大爆炸如此地恰到好处，既给了我们一个行星家园，又给予我们一个灿烂的星空呢？这正是所谓的人择原理，只能解释说，因为我们现在这里。只有在稳定的宇宙中才可能出现智慧生物，然后这些智慧生物才可能仰望星空并且深深地怀疑人生。

究竟是不是我们已经了解了宇宙，并且能够预测宇宙的未来呢？远非如此。霍金教授说宇宙中还有大量的物质我们一无所知，我们不知道还有哪些质量藏在什么地方，最有可能的就是中微子。这种粒子质量非常小，一开始科学家们还以为它没有质量，后来发现它有极微小的质量，不到电子的百万分之一。但是如果宇宙中存在着大量的尚未被探测到的中微子，那么仍然可能改变宇宙的未来，也就是说，宇宙的密度仍然可能是大于再塌缩的临界密度的。不过，不用担心的是，根据现在宇宙膨胀的速度，起码100亿年之内，宇宙不会发生再塌缩。所以，对于宇宙未来的预测，霍金教授效仿古人，给出了一个模棱两可的回答：是的，宇宙会继续膨胀，嗯，但是，它也有可能再塌缩。在《大设计》一书的结尾，霍金教授还预测一种“大统一理论”（M-Theory），这也是爱因斯坦终生寻找的理论，这是宇宙中最基础的定律，通过这个定律，我们就可以理解我们的宇宙，并且预测它的未来。当然，是否存在这样一种定律，我们现在也还不知道。

现在我们理解，大概100亿年之后，宇宙中大多数的恒星将会熄灭，不能再继续进行核聚变反应，像太阳这样质量的恒星会成为更小并且密度更大的白矮星或者中子星，一些质量比太阳更大的恒星则会在引力的作用下成为黑洞。而黑洞自身由于黑洞蒸发的原因，也会慢慢地消失，我们理解黑洞从诞生到死亡的全过程，尽管如此，黑洞在很大意义上，仍然只是存在于理论中，至于霍金教授的黑洞和宇宙学理论，在人类现有的知识和技术水平上更是很难有证明的机会。这也正是霍金教授至今也没有获得物理学的最高荣誉——诺贝尔物理学奖的原因。

理论物理学家更多地生活在自己的大脑中，依靠计算和想象描述这个世界，因此大多数的理论物理学家工作在数学系，在剑桥也不例外：霍金教授自从1979年成为剑桥大学卢卡斯数学教授至今，与我所在的剑桥大学同样著名的卡文迪许实验室并没有太多交集。卡文迪许实验室更加注重实验物理，自第一位卡文迪许教授麦克斯韦提出了电磁场理论以来，汤姆生、卢瑟福等物理学家们无不是以实验证据来取得突破，直至今日，当年科学家们的实验仪器仍然展示在实验室的博物馆里。有趣的是，第四任卡文迪许教授卢瑟福曾经有过一句名言：“不要让我听到任何人在我们实验室里谈论宇宙。”这话显示了他重视实验证据的务实态度。当然，现在的卡文迪许实验室也有很多科学家在研究天文学。我在剑桥的住处离霍金教授家并不遥远，曾经常看到他的太太兼护士推着他的那个著名的轮椅，傍晚时候在河边散步，学生们看到他并不会过去打扰，因此这个全身上下只有眼球可以活动的科学家可能此时正在神游宇宙。■

（本文主要参考剑桥大学霍金教授的书《The Grand Design》和文章《The Future of Universe》）（文 / 苗千） 霍金预言科学天文黑洞宇宙霍金辐射宇宙史蒂芬-霍金预测大设计未来