宇宙的逃逸速度取决于各星系团的逃逸速度

收缩宇宙

且慢!我们怎么能单凭宇宙现在正在膨胀就断言它将永远膨胀下去呢？

打一个比喻。假定我们正注视着一个离开地面作上抛运动的球。它先是持续上升，但速度越来越慢。我们知道，它的上升速度会终于下降至零，而且此后就向下运动，速度越来越快。

这个球之所以这样运动，是因为地球的引力总是把它曳引向下：先是减小它向上运动的势头，直至它停止下来；接着又加速它向下的运动。如果这个球开始向上抛出的速度更快，那么，引力抵消它原来的势头所花的时间便越长。这个球就会在它停止下来开始转为下落之前上升到更高一些。

我们也许会以为，无论我们把这个球以多大的速度向上抛，它最终也会在不可抗拒的引力的牵拉下停止下来并转而向下降落。这正像俗话所说，“跳得高，跌得重”。如果引力在任何高度都是常数的话，确实如此。但是，实际情形并不是这样。

地球引力的拉力随到地球中心距离的平方而减小。地球表面的一个物体距离地球中心大约是6400千米。在地球表面上方6400千米处的一个物体到地球中心的距离将是前者的2倍，因此，它受到地球引力的拉力将只有地球表面处拉力的1/4。

一个上抛物体的初速有可能如此之大，以致随着它向上运动，引力的拉力迅速减小，其强度竟不足以把它的速度减慢到零。在这种情况下，这个物体将不会重新掉下来，而是永远离开地球。出现这种情况的最小速度叫做“逃逸速度”。对于地球的逃逸速度是每秒11.23千米。

可以认为宇宙也有一个逃逸速度。各星系团在引力的作用下相互吸引，但是在大爆炸的爆炸力的作用下，它们正在反抗引力向四外运动。这意味着，我们可以指望靠引力的拉力去减慢宇宙的这种膨胀，一点一点地，最终有可能使膨胀停止。一旦膨胀停止，各星系团就会在它们自己引力的吸引作用下开始彼此聚拢，从而出现一个收缩的宇宙。然而，随着星系团运动得彼此相距越来越远，它们之间的引力会变得越来越弱。如果这种膨胀足够快，那么星系团之间的拉力便会以很大的速率减小，以致无法使膨胀停止下来。防止膨胀停止所需要的最小膨胀速度就是宇宙的逃逸速度。

如果各星系团以大于这个逃逸速度的速度彼此分离运动，那么它们就将一直分离下去，宇宙也将一直膨胀下去，直至达到热寂。这就是我们在本章前面讨论的那种“开放宇宙”。如果各星系团以小于逃逸速度的速度彼此分离运动，宇宙的这种膨胀就会渐渐停止下来。于是，宇宙最终会反过来发生收缩，而且又重新形成宇宙蛋，此后再在一次新的大爆炸中爆炸开来。这种情况将是一个“闭合宇宙”（有时也称作“振荡宇宙”）。

那么，现在的问题在于，宇宙正在膨胀的速度是否超过了宇宙的逃逸速度。我们知道宇宙膨胀的速度，如果我们还能知道逃逸速度的数值，我们就算得到了答案。

逃逸速度取决于各星系团彼此间引力吸引的大小，而后者又取决于各星系团的质量和它们相距的距离。当然，不同的星系团的大小会不相同，而且某些相邻星系团彼此相距也会比其他相邻星系团要远一些。

因此我们能做到的，只好是假想所有星系团的所有物质全都均匀地散布在整个宇宙中。这样，我们就可以确定出宇宙中物质的平均密度。物质的平均密度越大，逃逸速度也越大，各星系团彼此的分离运动就越有可能不是快到它们能逃逸出去的程度。于是，宇宙的膨胀或早或迟总会停止下来，并转而出现收缩。

我们现在差不多能够说，如果宇宙的平均密度相当于一间宽敞的起居室那样的体积内包含有相当于400个氢原子的物质的话，那么，那就是一个足够高的密度，能够在现有的膨胀速度下保证宇宙是闭合的。

然而，就我们所知，宇宙的平均密度实际上只有那个密度值的1%。根据一些间接证据，大多数天文学家相信，把氘（氢的一种重同位素）的数量也包括在内，宇宙的平均密度不可能高出这个值太多。如果真是这样，那么各星系团之间的引力就太小了，远不足以让宇宙的膨胀停止下来。因此，宇宙是开放的，它将一直膨胀到最后的热寂。

如果我们不是对宇宙的平均密度值没有绝对把握的话，结论就是这样。密度等于单位体积内的质量。虽然我们能相当确切地知道宇宙某个区域的体积，但是对该区域的质量却没有太大把握。

我们有好些计算星系本身的质量的方法，但是，对于稀稀拉拉散布在星系外围和各星系之间的那些恒星、尘埃和气体就没有可靠的测量办法。很有可能，我们过于低估了这些非星系物质的质量。

果然，在1977年，哈佛大学的几位研究来自空间的X射线的天文学家报告说，他们发现了一些迹象，表明某些星系团周围有一些由恒星和尘埃形成的晕圈，它们拥有的质量高达它们所包围的星系团内星系本身质量的5—10倍。这样的晕圈如果普遍存在的话，必定会极大地增加宇宙的质量，使得开放宇宙的假定十分靠不住。

宇宙可能具有比我们今天认识到的多得多的质量，一个重要的迹象就来自星系团本身。在许多例子中，当我们根据组成一个星系团的那些星系的质量去计算出该星系团的总质量时，都发现没有足够大的总体引力相互作用能维系该星系团保持一个整体。它里面的各个星系的运动速度都大于计算出来的该星系团的逃逸速度，这些星系似乎应该彼此分离而散去。可是，我们对它们进行计算的那些星系团显然被引力维持得十分稳固。于是，我们便自然得出结论，天文学家真的低估了各星系团的总质量。他们没有把星系团内各星系外面的质量计算在内。

总之，虽然目前的证据仍然有利于一个开放的宇宙，但是作出开放宇宙结论的可能性却或多或少在变小。而宇宙中有足够的质量使得它是一个闭合宇宙或振荡宇宙的可能性虽然仍然较小，却正在日益增大。⁽²⁾

但是，一个收缩的宇宙讲得通吗？它会使所有的星系靠得越来越近，而最终重现一个低熵的宇宙蛋。这难道不是意味着一个收缩宇宙否定了热力学第二定律吗？的确，这同热力学第二定律相抵触，但是，我们不认为这一定就是否定。

如我前面所说，热力学第二定律不过是普通经验的一种推广。我们观察到，我们无论是在何种条件下研究宇宙，这个第二定律似乎从未被违反过。正是根据这一点，我们才下结论说，这个定律不可能被违反。

这样下结论很可能是走得太远了。要知道，无论我们怎样改变实验条件，无论我们在什么地方进行观测，我们却总有一件事实改变不了。那就是，我们所做的一切观测，从地球本身到我们所能探测到的最遥远的星系，连同我们所能设计出来的一切实验条件，毫无例外地都是在一个膨胀宇宙中安排的。因此，我们至多只能说，热力学第二定律在一个膨胀宇宙中绝不可能被违反。

单凭我们的观测和实验，我们关于熵与一个收缩宇宙的关系其实是什么也不敢肯定。我们完全可以自由地假定，随着宇宙膨胀的减慢，使熵增加的趋势会渐渐减弱；而当宇宙开始压缩时，使熵减少的趋势会开始变得占上风。

因此我们或许可以这样认为：在一个闭合宇宙中，熵在宇宙的膨胀阶段将逐渐增加，而在它达到热寂阶段以前很可能会发生一次逆转，在那以后，熵就将在收缩阶段逐渐减小。所以，宇宙就像是一个被照料得很好的时钟，它在它的发条未来得及完全放松以前又被再次拧紧，就这样不停地走动，而且实际上会一直走动下去。可是，既然宇宙会这样循环往复地一直延续下去，永无热寂，那么我们是否可以相信这就意味着生命将永远存在？在这样的大循环中难道不会有某些时期不适合于生命生存吗？

例如，看来肯定不可避免的是，宇宙蛋发生爆炸时的那种条件多半是会危及生命的。整个宇宙（那时仅是一个宇宙蛋）在发生爆炸的瞬间是处在若干万亿度的温度下，过一段时间，宇宙才会冷却到足够低的温度，允许其中形成物质并聚成团块形成星系，形成行星系统，以及在一些条件适宜的行星上面演化出生命来。

这就是说，大约要在大爆炸以后过10亿年，宇宙中才会出现星系、恒星、行星和生命。假定收缩只是反方向地重复宇宙的这段历史，那么我们还能料到，在形成宇宙蛋以前10亿年这段时间，生命、行星、恒星和星系又全都不复存在。

这样，在每一次循环中，在宇宙蛋前后共有20亿年一段时间，生命都无法存在。在每一次循环中，过了这一段时间，新的生命又可能形成，但它们同上一次循环中的生命毫无联系。这些生命在下一次宇宙蛋出现以前注定又会消失，所以它们同下一次循环中的生命也毫无联系。

这里我们再讨论一个问题。宇宙中远不止10 000亿颗恒星。它们正在不停地把能量普遍倾泻到宇宙之中，而且这样倾泻了已有150亿年之久。那么，这样多的能量为什么不会把宇宙中的冷天体——比如说像我们地球这样的行星——加热，而使得生命无法生存呢？

有两个原因可以防止出现这种情况。第一，在一个膨胀宇宙中所有的星系团全都在相互作背离运动。这意味着，从其他星系团来到任何一个星系团的光线都会发生不同程度的红移。因为光线的波长越长，它包含的能量就越低，所以红移就意味着能量有减少。所有星系发出的辐射其能量比我们所想到的其实都更低。

第二，宇宙占据的空间随着宇宙膨胀正迅速地变大。这种空间变大的速度其实要超过能量注入宇宙而填满它的速度。所以，自大爆炸以来，宇宙不仅不是变得越来越热，它的温度反而一直在下降。目前，宇宙的普遍温度仅仅约为3K。

在一个收缩宇宙中，这种情况当然要反过来。所有的星系团都在靠拢，从其他星系团来到任何一个星系团的光线都遭受不同程度的紫移，因而携带的能量要比今天的能量高得多。而且，宇宙占据的空间会迅速减小，因此这些辐射要比我们预料的速度更快得多地充满整个宇宙。所以，收缩宇宙总是变得越来越热，而且如我讲过的那样，在到宇宙蛋形成以前10亿年，它会变得过热，以致任何生命形式都无法存在。

我们的宇宙离下一次宇宙蛋还有多长时间？

对此无法作确切回答。因为，这个时间也取决于宇宙的总质量。我们姑且假定宇宙的总质量足够大，能够保证是一个闭合宇宙。这个总质量超过必需的最小值越多，宇宙的总体引力场就越强，宇宙目前的膨胀就会越早停止，从而整个宇宙就会尽快收缩成另一个宇宙蛋。

但是，由于目前所确定的总质量的数值十分小，即使它有可能增加到能保证一个闭合的宇宙，那多半也只是勉强够数而已。这意味着，宇宙的膨胀速度充其量只会随时间相当缓慢地下降，而且，当它差不多要停止膨胀时，宇宙中的那些最后残渣也只会非常缓慢地消失；这是因为引力场的强度只勉强够引起这样的过程。因此，宇宙将会是很久很久以后才慢慢开始收缩。

我们目前正生活在相对说来比较短暂的快速膨胀时期，有朝一日，还将出现一个相对说来比较短暂的快速收缩时期，每一时期仅持续几百亿年。在这两个时期之间，将是一个漫长的、宇宙实际上处于静止的时期。

作为一种猜测，我们或许可以设想宇宙在未膨胀成热寂时半途——譬如说5000亿年以后——就停止下来，而在它收缩成下一次宇宙蛋之前5000亿年又停止一次。在那种情况下，人类面临的便是两种选择：要么等待10 000亿年以热寂作为归宿，如果宇宙是开放的话；要么等待10 000亿年以下一次宇宙蛋而告终，如果宇宙是闭合的话。

两种结果最终都是灾变。不过，在这两种灾变中，宇宙蛋结果更激烈、更接近《圣经》中的描述，也更难于逃避。人类也许宁可发生第一种灾变，但是据我猜测，将会来到的——假定人类能生存那样久——多半是后者。⁽³⁾

【注释】

(1)后面我们将会看到，其实以今天引力场的强度，能否发生大爆炸，这也是一个问题。

(2)我再次冒昧说一点个人意见。我觉得，鉴于我在下一章提出的理由，一个开放宇宙真是不大可能。我认为，只要我们耐心等待，天文学家一定会找到那缺失的质量或者发现其他必要的性质，而终于接受闭合宇宙的观点。

(3)不过，为了避免结局过于悲惨，科学幻想小说作家波尔·安德森（Poul Anderson）在他的小说《T字形零》中描写了一艘太空飞船，它的机组人员目睹了一个宇宙蛋的形成和爆炸，竟然安然无恙。小说对细节的描写看起来相当令人可信。