宇宙將何去何從？未解之謎都蘊藏在暗物質和暗能量之中

2020-08-23 鍾銘聊科學

地心說

一直以來都是古今中外學者們都很喜歡研究「宇宙起源和演化」的問題。在古希臘羅馬時代，當時逐漸形成了一個關於宇宙的模型，這就是地心說模型。

這個地心說模型到了託勒密手裡逐漸發展和成熟，並在後來的1000多年裡成為了西方學術圈的主流理論，甚至連教會都認同了這個模型。

日心說

後來，到了文藝復興時期，哥白尼提出了與地心說截然不同的觀點，這就是日心說。不過，哥白尼的日心說並沒有得到廣泛的認同。這是因為哥白尼的日心說只是把宇宙的中心從地心說換成了太陽，除此之外現在準確性和預測能力上幾乎和地心說差別不大。

後來，伽利略通過天文望遠鏡觀測發現，木星也有自己的衛星，要知道地心說的基礎是：宇宙中所有的天體都繞著地球轉。因此，伽利略的發現從根本上否定了地心說。

不僅僅是伽利略，第谷還發現了超新星以及搞清楚了彗星形成原理，這也從根本上都定了地心說的另外一個根基：天界不變論。

無論是伽利略還是第谷，本質上都只是否定了地心說，但是日心說的準確度依然沒有超越地心說。後來，第谷的學生克卜勒在第谷留下來的海量數據中，計算出了行星運動的軌跡是橢圓，並提出了著名的克卜勒三大定律。

經過克卜勒的修正，日心說的精準度大幅度地提升，克卜勒三大定律開始逐漸取代地心說在學術圈的主流地位。不過，克卜勒還遺留下一個問題沒能解決，這個問題就是：行星運動的軌跡為什麼是橢圓？

牛頓與萬有引力定律

1687年，牛頓發表了物理學史裡程碑式的著作《自然哲學的數學原理》，在這本書中，牛頓提出了他的力學三大定律和萬有引力定律。牛頓就是通過他的力學體系統一了天界和地球上的物理學規律，同時也解釋了為什麼行星運行的軌跡是橢圓。

自從有了牛頓的理論，宇宙中心論就開始變得沒有意義。而且根據牛頓的理論，如果宇宙是物質主導的，那麼宇宙就應該在引力的作用下，逐漸向中心靠近，最終壓縮成一個「點」，可事實上並沒有發生這樣的事情，那究竟是咋回事呢？

牛頓認為宇宙應該是無限大的，因此，宇宙並沒有中心，或者說宇宙處處都是中心。於是，宇宙處處引力都應該是平衡的，也就不會有向中心靠攏的趨勢。

愛因斯坦和廣義相對論

在接下裡的兩百多年裡，當時的學者們普遍認同：宇宙是永恆的。也就是說，宇宙原來是什麼樣，現在還是什麼樣，從大尺度上看，幾乎是沒有什麼太大的變化；同時，宇宙是無限大的，以至於宇宙不會在引力的作用下向中心收縮。雖然在這兩百年內也有人質疑過這個觀點，比如：奧伯斯就提出過著名的奧伯斯佯謬，以此來證明宇宙可能是有限大的。

不過，總體上來說，對當時的學者來說，大家更願意相信前者。愛因斯坦起初也是持有類似的想法，後來他提出了著名的廣義相對論，廣義相對論對引力進行了重新的詮釋，愛因斯坦認為引力的本質其實是時空的扭曲。

於是，他也開始建構自己的宇宙觀。在他的廣義相對論理論中，有一個描述宇宙的引力場方程，愛因斯坦得到這個方程時，他就發現：這個方程預示著宇宙在隨著時間的流逝而發生膨脹。這和他一直以來的信仰是相違背的，於是，他為了抵消這個膨脹效應，就在這個方程中添加了一個宇宙常數。只要這個宇宙常數選取適當的值，就可以抵消掉宇宙膨脹的效應。

勒梅特&哈勃

愛因斯坦這也算是一意孤行了，於是，就引來了同行們的反對。首先提出反對聲音的是勒梅特，他認為宇宙應該是膨脹的，而不是應該是永恆的。

不過，他並不反對愛因斯坦在方程裡加宇宙常數，相反他認為宇宙常數應該存在，不過不是用來抵消宇宙膨脹，而是用來描述宇宙膨脹的速度大小，不同的宇宙常數的取值，就可以讓宇宙具有不同的膨脹速度。

勒梅特只是從理論上提出的反對的意見。而天文學家哈勃則是利用觀測手段，他長年在觀測銀河系外的星系，他就發現，大多數銀河系外的星系都在發生紅移，說白了就是在遠離我們。

哈勃的發現，其實只能用宇宙膨脹來解釋。原因也很簡單，如果不是宇宙膨脹，那麼各個星系應該是有的靠近我們，有的在遠離我們，而不是幾乎都在遠離我們。

由此，哈勃還提出了著名的哈勃定律，來描述星系紅移。為了表彰勒梅特和哈勃的貢獻，如今哈勃定律已經更名為：哈勃-勒梅特定律。

宇宙大爆炸

哈勃的觀測也在向我們暗示一個道理：如果宇宙是在膨脹的，那麼我們沿著時間往回推測，宇宙就應該是向回收縮的，如果追溯到宇宙的起點，那宇宙應該是從一個「點」開始膨脹開來的。當然，物理學家和天文學家不能僅僅是靠推測，他們還加入了許多核物理的理論，從而得到了著名的宇宙大爆炸模型。

宇宙大爆炸理論告訴我們，宇宙起源於138億年前的一次大爆炸。在這次大爆炸後，宇宙開始膨脹，溫度開始下降，並且逐漸產生了如今宇宙的一切。而宇宙大爆炸還需要兩個關鍵證據，一個是宇宙微波背景輻射，一個是氦元素豐度，這兩個證據也在後來陸續被找到，這才使得宇宙大爆炸理論成為了學術界的主流認同。

未解之謎

如果我們現在回頭來看，就發現勒梅特是十分機智的，他想要用宇宙常數來描述宇宙的膨脹速度。事實上，這也被他言中了。如果宇宙只有引力，而沒有斥力，那麼宇宙的膨脹速度就不應該是恆定的，而應該在引力作用下逐漸減速。

不過，這一切在上世紀的兩個天文學發現中被打破。首先是科學家發現，星系中的恆星運動速度都超過理論值，這說明還有一些我們看不到的物質在提供引力，科學家就把這些物質叫做暗物質。

1998年兩個科研小組發表了一個觀測報告，他們觀測了Ia超新星。他們就發現，宇宙非但沒有在減速，相反還在加速。這說明宇宙中還存在著一種我們看不到的物質，在提供和引力截然相反的斥力，驅動著宇宙膨脹。暗物質和暗能量是如今天文學界研究的前沿問題，它們在宇宙中的佔比大大超過了已知物質，達到了95%以上。

也就是說，它們的構成和影響影響了宇宙常數，同時也是影響宇宙未來演化的原因。而如今我們卻對他們一無所知，因此，想要了解宇宙的未來，我們就必須先搞懂暗物質和暗能量。

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