Astronomy 版 (精华区)

　　为什么我们应该认为，也许存在足够的暗物质，使宇宙最终坍缩呢？为什么我
们不能只相信我们已有确定性证据的物质呢？其理由在于，那怕宇宙、现在只具有
十分之一的临界值密度，都需要不可思议地仔细选取初始的密度和膨胀率。如果在
大爆炸后一秒钟宇宙的密度大了一万亿分之一，宇宙就会在十年后坍缩。另一方面
，如果那时宇宙的密度小了同一个量，宇宙在大约十年后就变成基本上空无一物。


　　宇宙的初始密度为什么被仔细地选取呢？也许存在某种原因，使得宇宙必须刚
好具有临界密度。看来可能存在两种解释。一种是所谓的人择原理，它可被重述如
下：宇宙之所以是这种样子，是因为否则的话，我们就不会在这里观测它。其思想
是，可能存在许多具有不同密度的不同宇宙。只有那些非常接近临界密度的能存活
得足够久并包含足够形成恒星和行星的物质。只有在那些宇宙中才有智慧生物去诘
问这样的问题：密度为什么这么接近于临界密度？如果这就是宇宙现在密度的解释
，则没有理由去相信宇宙包含有比我们已经探测到的更多物质。十分之一的临界密
度对于星系和恒星的形成已经足够。

　　然而，许多人不喜欢人择原理，因为它似乎倚重于我们自身的存在。这样就有
人对为何密度应这么接近于临界值寻求另外可能的解释。这种探索导至极早期宇宙
的暴涨理论。其思想是宇宙的尺度曾经不加倍过。正如在遭受极端通货膨胀的国家
每隔几个月价格就加倍一样。然而，宇宙的膨胀更迅猛更极端得多：在一个微小的
暴涨中尺度的至少一千亿亿亿倍的增加，会使宇宙这么接近于准确的临界密度，以
至于现在仍然非常接近于临界密度。这样，如果暴涨理论是正确的，宇宙就应包含
足够的暗物质，使得密度达到临界值。这意味着，宇宙最终可能会坍缩，但是这个
时间不会比迄今已经膨胀过的一百五十亿年左右长太多。

　　如果暴涨理论是正确的，必须存在的额外的暗物质会是什么呢？它似乎和构成
恒星和行星的正常物质不同。我们可以计算出宇宙在大爆炸后的最初三分钟的极早
期阶段产生的各种轻元素的量。这些轻元素的量依赖于宇宙中的正常物质的量而定
。我们可以画一张图，在垂直方向标出轻元素的量，沿着水平轴是宇宙中正常物质
的量，如果现在正常物质的总量大约只为临界量的十分之一，则我们可以得到和观
测很一丰度。这些计算也可能是错误的，但是我们对于几种不同的元素得到观测到
的丰度这个事实，令人印象十分深刻。

　　如果存在暗物质的临界密度，那么其主要候选者可能是宇宙极早阶段的残余。
基本粒子是一种可能性。存在几种假的候选者，那是些我们认为也许存在但还没有
实际探测到的粒子。但是最有希望的情形是中微子，我们对它已有很好的证据。它
被认为自身没有质量，但是最近一些观测暗示，中微子可能有小质量。如果这一点
得到证实并发现具有恰好的数值，中微子就能提供足够的质量，使宇宙密度达到临
界值。

　　黑洞是另一种可能性。早期宇宙可能经历过所谓的相变。水的沸腾和凝固便是
相变的例子。在相变过程中原先均匀的媒质，譬如水，会发展出无规性。在水的情
形下会是一大堆冰或蒸气泡。这些无规性会坍缩形成黑洞。如果非常微小的话，它
们由于早先描述的量子力学的不确定性原理的效应，迄今已被蒸发殆尽。但是，如
果它们超过几十亿吨（一座山的质量），则现在仍在周围并且很难被探测到。

　　对于在宇宙中均匀分布的暗物质，它对宇宙膨胀的效应是唯一探测其存在的方
法。由测量遥远星系离开我们而去的速度便可确定膨胀的减慢程度。其关键在于，
光离开这些星系向我们传播，所以我们是在观测在遥远的过去的这些星系。人们可
以绘一张图，把星系的速度和它们的表观亮度或星等作比较，星等是它们离开我们
的距离的测度。这张图上的不同曲线对应于不同的膨胀减慢率。向上弯折的曲线对
应于将要坍缩的宇宙。初看起来观测似乎表示坍缩的情景。但是麻烦在于，星系的
表观亮度不能很好地标度离开我们的距离。不仅在星系的本征亮度存在相当大的变
化，而且还有证据说明其亮度随时间而改变。由于我们不知道允许的亮度演化是多
少，所以我们还不能说减慢率是多少：它是否快到使宇宙最终坍缩，或者宇宙会继
续永远膨胀下去。这必须等到我们发展出更好的测量星系距离的手段后才行。但是
我们可以肯定，减慢率没有快到使宇宙在今后的几十亿年内坍缩的程度。

　　宇宙在一千亿年左右既不永远膨胀也不坍缩是一个非常激动人心的前景。我们
是否有所作为使将来变得更加有趣呢？一种肯定可为的做法是让我们驾驶到一颗黑
洞中去。它必须是一颗相当大的黑洞，比太阳质量的一百万倍还要大。在银河系中
心很可能有颗这么大的黑洞。

　　在一颗黑洞中会发生什么我们还不很清楚。广义相对论的方程允许这样的解，
它允许人们进入一颗黑洞并从其他地方的一颗白洞里出来。白洞是黑洞的时间反演
。它是一种东西只出不进的物体。在宇宙的部分可能会有白洞。这似乎为星系际的
快速旅行提供了可能性。麻烦在于这种旅行也许是过于迅速了。如果通过黑洞的旅
行成为可能，则似乎无法阻拦你在出发之前已经返回。那时你可以做一些事，譬如
讲杀死你母亲，因为她一开始就不让你进入黑洞。

　　看来物理定律不允许这种时间旅行，这也许对于我们（以及我们母亲们）的存
活是个幸事。似乎有一种时序防御机构，不允许旅行到以前去，使得这个世界对于
历史学家是安全的。如果一个人抽以前旅行，似乎要发生的是，不确定性原理的效
应会在那里产生大量的辐射。这种辐射要么把时空卷曲得如此之甚，以至于不可能
在时间中倒退回去，要么使时空在类似于大爆炸和大挤压的奇性处终结。不管哪种
情形，我们的过去都不会受到居心叵测之徒的威胁。最近我和其他一些人进行的一
些计算支持这个时序防御假设。但是，我们过去不能将来永远也不能进行时间旅行
的最好证据是，我们从未遭受到从未来来的游客的侵犯。

　　现在小结如下：科学家相信宇宙受定义很好的定律制约，这些定律在原则上允
许人闪去预言将来。但是定律给出的运动通常是混沌的。这意味着初始状态的微小
变化会导至后续行为的快速增大的改变。这样，人们在实际上经常只能对未来相当
短的时间作准确的预言。然而，宇宙将永远膨胀下去呢，还是最终将会坍缩。这要
按照宇宙的现有密度而定。事实上，现在密度似乎非常接近于把坍缩和无限膨胀区
分开来的临界密度。如果暴涨理论是正确的，则宇宙实际上是处在刀锋上。所以我
正是继承那些巫师或预言者的良好传统，两方下赌注，以保万无一失。