宇宙的状态是膨胀还是收缩

宇宙的终结

对于偶尔才进行一次观测的人来说，无论是用肉眼还是用各种各样的仪器，宇宙看起来似乎是没有变化的。但是，宇宙确实在变化，并且很可能具有周期性。如果有一些恒星发生爆炸，那么就会有另一些恒星形成。似乎没有理由认为宇宙必须有终结或开始，除非有非周期性的无法抗拒的事件发生：宇宙膨胀。

故事发生在1912年，当时美国天文学家斯里弗（Vesto Melvin Slipher，1875—1969)开始着手研究某些特定星云的光谱。其实那是一些位于我们所在的银河系外距离十分遥远的星系，但在当时，人们还不知道。根据光谱，斯里弗可以识别光谱线究竟是朝光谱的紫光端移动（这时星云正在向我们靠近)还是朝光谱的红光端移动（这时星云正在远离我们)。

到1917年，斯里弗发现他所研究的15个星云，除了两个以外，其他星云的光谱线都显示出向光谱的红光端移动，即它们正在后退。其他一些天文学家也开始进行该项研究，而当这些星云被认为是遥远的星系时，研究结果表明，除了斯里弗已经注意到的那两个逼近的星系外（这是两个异乎寻常地向我们接近的星系)，所有的星系都在向后退。而且星系越是昏暗，发现其后退得越快。

20世纪20年代末，美国天文学家哈勃（Edwin Powell Hubble， 1889—1953)收集到的数据足以显示：宇宙正在膨胀，组成宇宙的星团彼此之间正在远离。

从理论上讲这也是合情合理的。1916年，爱因斯坦发展了他的广义相对论，这一理论比牛顿的理论更为准确地描述了引力。实际上，爱因斯坦得出的描述重力的方程为宇宙学（将宇宙作为一个整体进行研究)打下了基础。

起先，爱因斯坦假设宇宙总的来说应该是不变的，并根据这一假设调整了他的方程式。1917年，荷兰天文学家德西特（Willem de Sitter，1872—1934)证明，如果能正确解出未经调整的方程，这一方程就表明宇宙正在膨胀。哈勃的观测结果证明这个理论是正确的。

现在的问题是：宇宙的膨胀将会持续多久？宇宙各部分之间相互的引力会阻止宇宙膨胀。那么，只有克服引力的吸引，宇宙才会发生膨胀，就像从地球表面用力向上掷出一个物体，这个物体只有克服地球引力才能向上运动。

我们通常会有这样的经验：一个在普通环境下被向上掷出的物体，最终总会不敌地球引力的吸引。它的上升速度会减小为零，于是便开始被拉回到地面。向上掷物体时用的力量越大，物体上升的初始速度就越快，它升得也就越高，在空中运动的时间也越长。

如果从地球上以足够的力（即足够的初始速度)将物体向上发送，那么，它就再也不会回来了。地球对物体的引力会随物体与地球中心之间距离的逐渐增大而减弱。如果物体向上运动的速度足够快（每秒11千米)，那么不断减弱的引力强度将不足以将它拉回。这就意味着每秒11千米是物体摆脱地球引力的逃逸速度（第一宇宙速度)。

那么，我们也许会问：宇宙向外膨胀的速度是否达到了能够摆脱向内引力的逃逸速度（第二宇宙速度)呢？如果宇宙膨胀的速度超过了逃逸速度，那么宇宙将永远不断地向外膨胀。那么它便是一个开放的宇宙。但是，如果宇宙膨胀的速度低于逃逸速度，那么宇宙的膨胀将逐渐减缓，最终将会停止。然后，宇宙将开始收缩。那么它便是一个封闭的宇宙。

无论宇宙是开放的还是封闭的，也无论宇宙最终会是一个不断膨胀的稀疏的物质球，或是一个不断收缩的稠密的物质球，在我们每个人的一生中，甚至在我们所在的行星系的生命周期中，它都不可能对我们产生影响。但是，科学家对此却十分好奇。为了得出结论，他们试图估算出宇宙膨胀的速率。另外，他们也想估算出宇宙中物质的平均密度，以便能对向内的引力强度有个概念。这两项测定都很难实施，而且结果也只能是近似值。最终的结论是：宇宙的密度只有终结膨胀所需密度的1%左右。因此，看起来宇宙是开放的，并且将永远膨胀下去。

不过先别着急！上述宇宙中物质密度的测定只是基于我们所能探测到的物质——而对于暗物质又是如何的呢？如果宇宙中确实存在暗物质，而我们尚未确定它们的性质，也许这种物质的质量是我们能够探测到的物质质量的100倍，那么，这会足以使宇宙成为封闭的。因此，最终我们仍无法肯定，宇宙究竟是开放的还是封闭的。

另一种可能是，宇宙中存在着足够的暗物质，使得宇宙刚好处于开放和封闭的边缘（或非常接近边缘)。也就是说，宇宙是“扁平的”。这将是一个惊人的巧合，给人的感觉是：如果宇宙是扁平的，那一定有其理由。

可见，从宇宙论的角度来看，知道暗物质是否确实存在，如果它存在的话，又是由什么组成的，这是多么重要。当答案出现的时候，它一定出自亚原子粒子领域。由此可见，知识的发展确实是一致的。我们对已知的最大物体（即宇宙）的认识和理解还是取决于我们对已知的最小物体（即亚原子粒子）的认识和理解。

亚原子粒子可能影响宇宙终结的另一方面出现在对强相互作用和电弱相互作用统一的尝试之中。1973年，电弱理论的创立人之一萨拉姆首先做了这方面的尝试，并解决了这一问题。

既然电弱相互作用涉及轻子，而强相互作用涉及夸克，统一理论就必须表明轻子和夸克具有基本的相似性。也就是说，在某些情况下，一种粒子可以转变为另一种粒子。通常认为夸克可以转变为轻子，因为这时质量与能量是趋于下降的。

假设质子中的夸克转变成了轻子，那么这个质子就不再是一个质子了，它将蜕变成一些质量较轻的粒子，如K介子、π介子、μ子和正电子（它们都肯定带电并保持电荷守恒)。K介子、π介子和μ子最终将蜕变为正电子，这就意味着，总的来说，质子将会变成正电子。

这就违背了重子数守恒定律。但是，所有的守恒定律都只是根据观测结果得出的推论。我们从未观测到任何会改变独立系统中的重子数的变化。所以，我们也就自然而然地认为，永远不会发生这种变化——于是就得出了守恒定律。不过，无论守恒定律如何有效、如何方便，它们仍然只是假设。科学家有时必须要准备接受这样的事实，那就是某一给定的守恒定律并不一定在所有可能发生的情况下都适用。就像我前面所解释的那样，科学家们发现，宇称守恒定律就属于这种情况。

此后的几十年中，科学家们一直在对质子进行深入细致的研究，但是，从来没有发现质子会发生蜕变。另一方面，由于科学家们坚信质子不会发生蜕变，他们一直没有把研究重点放在肯定这一结论上。

另外，现存的相互作用统一理论（有几个变种)表明，质子的半衰期极长。要使任何一种给定物质试样中的半数质子发生蜕变就需要10³¹年（1 000万亿亿亿年)。既然宇宙至今只经历了150亿年，那么质子的半衰期相当于宇宙年龄的7×10²²倍。所以，在宇宙的整个生命过程中，已蜕变的质子数与总数相比实在微不足道。

但是，它并不是零！在一个装有大约20吨水的水箱中你可以发现这么多质子，如果开始时你有10³¹个质子，这些质子中每年只有一个质子会有机会发生蜕变。要在20吨水中探测那样一个质子，并确认该质子的蜕变是由于一个夸克转变成了一个轻子，这并不是件轻而易举的事。虽然科学家们对研究这一课题做了一些初步尝试，但仍没有成功地发现这样的蜕变。

研究工作的成败是非常重要的。如果成功，就会朝确立相互作用统一理论——也就是所谓的大统一理论——的正确道路向前迈进一大步；如果失败，则会使人们对它产生怀疑。

接着，还要考虑光对宇宙命运的影响。如果宇宙是开放的，并且永远膨胀下去，那么它所含的质子数就会慢慢地减少。最终它将变成一个大得无法想象的轻子薄云——电子和正电子（当然还有光子和中微子)。

当然，我们也怀疑随着宇宙年龄的不断增长，它将会汇集成黑洞——而我们对于黑洞中心具有怎样的自然规律还没有丝毫概念。在这些中心会不会有某种强子？它们会不会非常非常缓慢而又确确实实地发生蜕变？黑洞最终会不会消失？这些问题也许永远都是个谜。