十三、宇宙的未來

這篇講演的主題是宇宙的未來，或者不如說，科學家認為將來是什麼樣子的。預言將來當然是非常困難的。我曾經起過一個念頭，要寫一本題為《昨天之明天：未來歷史》的書。它會是一部對未來預言的歷史，幾乎所有這些預言都是大錯特錯的。但是儘管這些失敗，科學家仍然認為他們能預言未來。

[21]作者註：1991年4月在劍橋大學的達爾文講演。

在非常早的時代，預言未來是先知或者女巫的職責。這些通常是被毒藥或火山隙溢出的氣體弄得精神恍惚的女人。周圍的牧師把她們的咒語翻譯出來。而真正的技巧在於解釋。古希臘的德勒菲的著名巫師以模稜兩可而臭名昭著。當這些斯巴達人問道，在波斯人攻擊希臘時會發生什麼，這巫帥回答道：要麼斯巴達會被消滅，要麼其國王會被殺害。我想這些牧師盤算，如果這些最終都沒有發生，則斯巴達就會對阿波羅太陽神如此之感恩戴德，以至忽視其巫師作錯預言的這個事實。實際上，國王在捍衛特莫皮拉隘道的一次拯救斯巴達並最終擊敗波斯人的行動中喪生了。

另一次事件，利迪亞的國王克羅修斯，這位世界上最富裕的人有一次問道：如果他侵略波斯的話會發生什麼。其回答是：一個偉大的王國將會崩潰。克羅修斯以為這是指波斯帝國，殊不知正是他自己的王國要陷落，而他自己的下場是活活地在柴堆上受火刑。

近代的末日預言者為了避免尷尬，不為世界的末日設定日期。這些日期使股票市場下瀉。雖然它使我百思不解，為何世界的終結會使人願意用股票來換錢，假定你在世界末日什麼也帶不走的話。

迄今為止，所有為世界末日設定的日期都無聲無息地過去了。但是這些預言家經常為他們顯然的失敗找借口解釋。例如，第七日回歸的創建者威廉-米勒預言，耶穌的第二次到來會在1843年3月21日至1844年3月21日間發生。在沒有發生這件事後，這個日期就修正為1844年10月22日。當這個日期通過又沒有發生什麼事後，又提出了一種新的解釋。據說，1844年是第二次回歸的開始，但是首先要數出獲救者名單。只有數完了名單，審判日才降臨到那些不列在名單上的人。幸運的是，數人名看來要花很長的時間。

當然，科學預言也許並不比那些巫師或預言家的更可靠些。人們只要想到天氣預報就可以了。但是在某些情形下，我們認為可以做可靠的預言。宇宙在非常大的尺度下的未來，便是其中一個例子。

我們在過去的三百年間發現了制約在所有正常情形下物體的科學定律。我們仍然不知道制約在極端條件下物體的精確的定律。那些定律在理解宇宙如何啟始方面很重要，但是它不影響宇宙的未來演化，除非直到宇宙坍縮成一種高密度的狀態。事實上，我們必須花費大量金錢建造巨大粒子加速器去檢驗這些高能定律，便是這些定律對現在宇宙的形響是多麼微不足道的一個標誌。

即便我們知道了制約宇宙的有關定律，我們仍然不能利用它們去預言遙遠的未來。這是因為物理方程的解會呈現出一種稱作混沌的性質。這表明方程可能是不穩定的：在某一時刻對系統作非常微小的改變，系統的未來行為很快會變得完全不同。例如，如果你稍微改變一下你旋轉輪賭盤的方式，就會改變出來的數字。你在實際上不可能預言出來的數字，否則的話，物理學家就會在賭場發財。

在不穩定或混沌的系統中，一般地存在一個時間尺度，初始狀態下的小改變在這個時間尺度將增長到兩倍。在地球大氣的情形下，這個時間尺度是五天的數量級，大約為空氣繞地球吹一圈的時間。人們可以在五天之內作相當準確的天氣預報，但是要做更長遠得多的天氣預報，就既需要大氣現狀的準確知識，又需要一種不可逾越的複雜計算。我們除了給出季度平均值以外，沒有辦法對六個月以後作具體的天氣預報。

我們還知道制約化學和生物的基本定律，這樣在原則上，我們應能確定大腦如何工作。但是制約大腦的方程幾乎肯定具有混沌行為，初始態的非常小的改變會導致非常不同的結果。這樣，儘管我們知道制約人類行為的方程，但在實際上我們不能預言它。科學不能預言人類社會的未來或者甚至它有沒有未來。其危險在於，我們毀壞或消滅環境的能力的增長比利用這種能力的智慧的增長快得太多了。

宇宙的其他地方對於地球上發生的任何事物根本不在乎。繞著太陽公轉的行星的運動似乎最終會變成混沌，儘管其時間尺度很長。這表明隨著時間流逝，任何預言的誤差將越來越大。在一段時間之後，就不可能預言運動的細節。我們能相當地肯定，地球在相當長的時間內不會和金星相撞。但是我們不能肯定，在軌道上的微小擾動會不會積累起來，引起在十幾億年後發生這種碰撞。太陽和其他恆星繞著銀河系的運動，以及銀河系統著其局部星系團的運動也是混沌的。我們觀測到，其他星系正離開我們運動而去，而且它們離開我們越遠，就離開得越快。這意味著我們周圍的宇宙正在膨脹：不同星系間的距離隨時間而增加。

我們觀察到的從外空間來的微波輻射背景給出這種膨脹是平滑而非混沌的證據。你只要把你的電視調到一個空的頻道就能實際觀測到這個輻射。你在屏幕上看到的斑點的小部分是由太陽系外的微波引起的。這就是從微波爐得到的同類的輻射，但是要更微弱得多。它只能把食物加熱到絕對溫度的2.7度，所以不能用來溫熱你的外賣皮薩。人們認為這種輻射是熱的早期宇宙的殘餘。但是它最使人印象深刻的是，從任何方向來的輻射量幾乎完全相同。宇宙背景探索者衛星已經非常精確地測量了這種輻射。從這些觀測繪出的天空圖可以顯示輻射的不同溫度。在不同方向上這些溫度不同，但是差別非常微小，只有十萬分之一。因為宇宙不是完全光滑的，存在諸如恆星、星系和星系團的局部無規性，所以從不同方向來的微波必須有些不同。但是，要和我們觀測到的局部無規性相協調，微波背景的變化不可能再小了。微波背景在所有方向上能夠相等到100000分之99999。

上古時代，人們以為地球是宇宙的中心。在任何方向上背景都一樣的事實，對於他們而言毫不足怪。然而，從哥白尼時代開始，我們就被降級為繞著一顆非常平凡的恆星公轉的一顆行星，而該恆星又是繞著我們看得見的不過是一千億個星系中的一個典型星系的外邊緣公轉。我們現在是如此之謙和，我們不能聲稱任何在宇宙中的特殊地位。所以我們必須假定，在圍繞任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。這隻有在如果宇宙的平均密度以及膨脹率處處相同時才有可能。平均密度或膨脹率的大區域的任何變化都會使微波背景在不同方向上不同。這表明，宇宙的行為在非常大尺度下是簡單的，而不是混沌的。因此我們可以預言宇宙遙遠的未來。

因為宇宙的膨脹是如此之均勻，所以人們可按照一個單獨的數，即兩個星系間的距離來描述它。現在這個距離在增大，但是人們預料不同星系之間的引力吸引正在降低這個膨脹率。如果宇宙的密度大於某個臨界值，引力吸引將最終使膨脹停止並使宇宙開始重新收縮。宇宙就會坍縮到一個大擠壓。這和啟始宇宙的大爆炸相當相似。大擠壓是被稱作奇性的一個東西，是具有無限密度的狀態，物理定律在這種狀態下失效。這就表明即便在大擠壓之後存在事件，它們要發生什麼也是不能預言的。但是若在事件之間不存在因果的連接，就沒有合理的方法說一個事件發生於另一個事件之後。也許人們可以說，我們的宇宙在大擠壓處終結，而任何發生在「之後」的事件都是另一個相分離的宇宙的部分。這有一點像是再投胎。如果有人聲稱一個新生的嬰兒是和某一死者等同，如果該嬰兒沒從他的以前的生命遺傳到任何特徵或記憶，這種聲稱有什麼意義呢？人們可以同樣地講，它是完全不同的個體。

如果宇宙的密度小於該臨界值，它將不會坍縮，而會繼續永遠膨脹下去。其密度在一段時間後會變得如此之低，引力吸引對於減緩膨脹沒有任何顯著的效應。星系們會繼續以恆常速度相互離開。

這樣，對於宇宙的未來其關鍵問題在於：平均密度是多少？如果它比臨界值小，宇宙就將永遠膨脹。但是如果它比臨界值大，宇宙就會坍縮，而時間本身就會在大擠壓處終結。然而，我比其他的末日預言者更佔便宜。即使宇宙將要坍縮，我可以滿懷信心地預言，它至少在一百億年內不會停止膨脹。我預料那時自己不會留在世上被證明是錯的。

我們可以從觀測來估計宇宙的平均密度。如果我們計算能看得見的恆星並把它們的質量相加，我們得到的，不到臨界值的百分之一左右。即使我們加上在宇宙中觀測到的氣體雲的質量，它仍然只把總數加到臨界值的百分之一。然而，我們知道，宇宙還應該包含所謂的暗物質，即是我們不能直接觀測到的東西。暗物質的一個證據來自於螺旋星系。存在恆星和氣體的巨大的餅狀聚合體。我們觀測到它們圍繞著自己的中心旋轉。但是如果它們只包含我們觀測到的恆星和氣體，則旋轉速率就高到足以把它們甩開。必須存在某種看不見的物質形式，其引力吸引足以把這些旋轉的星系牢牢抓住。

暗物質的另一個證據來自於星系團。我們觀測到星系在整個空間中分佈得不均勻，它們成團地集中在一起，其範圍從幾個星系直至幾百個星系。假定這些星系互相吸引成一組從而形成這些星系團。然而，我們可以測量這些星系團中的個別星系的運動速度。我們發現其速度是如此之高，要不是引力吸引把星系抓到一起，這些星系團就會飛散開去。所需要的質量比所有星系總質量都要大很多。這是在這種情形下估算的，即我們認為星系己具有在它們旋轉時把自己抓在一起的所需的質量。所以，在星系團中我們觀測到的星系以外必須存在額外的暗物質。

人們可以對我們具有確定證據的那些星系和星系團中的暗物質的量作一個相當可靠的估算。但是這個估算值仍然只達到要使宇宙重新坍縮的臨界質量的百分之十左右。這樣，如果我們僅僅依據觀測證據，則可預言宇宙會繼續無限地膨脹下去。再過五十億年左右，太陽將耗盡它的核燃料。它會腫脹成一顆所謂的紅巨星，直到它把地球和其他更鄰近的行星都吞沒。它最後會穩定成一顆只有幾千英哩尺度的白矮星。我正在預言世界的結局，但這還不是。這個預言還不至於使股票市場過於沮喪。前面還有一兩個更緊迫的問題。無論如何，假定在太陽爆炸的時刻，我們還沒有把自己毀滅的話，我們應該已經掌握了恆星際旅行的技術。

在大約一百億年以後，宇宙中大多數恆星都已把燃料耗盡。大約具有太陽質量的恆星不是變成白矮星就是變成中子星，中子星比白矮星更小更緊緻。具有更大質量的恆星會變成黑洞。黑洞還更小，並且具有強到使光線都不能逃逸的引力場。然而，這些殘留物仍然繼續繞著銀河系中心每一億年轉一圈。這些殘餘物的相撞會使一些被拋到星系外面去。餘下的會漸漸地在中心附近更近的軌道上穩定下來，並且最終會集中一起，在星系的中心形成一顆巨大的黑洞。不管星系或星系團中的暗物質是什麼，可以預料它們也會落進這些非常巨大的黑洞中去。

因此可以假定，星系或星系團中的大部分物體最後在黑洞里終結。然而，我在若干年以前發現，黑洞並不像被描繪的那樣黑。量子力學的不確定性原理講，粒子不可能同時具有定義很好的位置和定義很好的速度。粒子位置定義得越精確，則其速度就只能定義得越不精確，反之亦然。如果在一顆黑洞中有一顆粒子，它的位置在黑洞中被很好地定義，這意味著它的速度不能被精確地定義。所以粒子的速度就有可能超過光速，這就使得它能從黑洞逃逸出來，粒子和輻射就這麼緩慢地從黑洞中泄漏出來。在一顆星系中心的巨大黑洞可有幾百萬英里的尺度。這樣，在它之內的粒子的位置就具有很大的不確定性。因此，粒子速度的不確定性就很小，這表明一顆粒子要花非常長的時間才能逃離黑洞。但是它最終是要逃離的。在一個星系中心的巨大黑洞可能花1090年的時間蒸發掉並完全消失，也就是一後面跟九十個零。這比宇宙現在的年齡要長得多，它是1010年，也就是一後面跟十個零。如果宇宙要永遠膨脹下去的話，仍然有大量的時間可供黑洞蒸發。

永遠膨脹下去的宇宙的未來相當乏味。但是一點也不能肯定宇宙是否會永遠膨脹。我們只有大約為使宇宙坍縮的需要密度十分之一的確定證據。然而，可能還有其他種類的暗物質，還未被我們探測到，它會使宇宙的平均密度達到或超過臨界值。這種附加的暗物質必須位於星系或星系團之外。否則的話，我們就應覺察到了它對星系旋轉或星系團中星系運動的效應。

為什麼我們應該認為，也許存在足夠的暗物質，使宇宙最終坍縮呢？為什麼我們不能只相信我們已有確定證據的物質呢？其理由在於，那怕宇宙現在只具有十分之一的臨界密度，都需要不可思議地仔細選取初始的密度和膨脹率。如果在大爆炸后一秒鐘宇宙的密度大了一萬億分之一，宇宙就會在十年後坍縮。另一方面，如果那時宇宙的密度小了同一個量，宇宙在大約十年後就變成基本上空無一物。

宇宙的初始密度為什麼被這麼仔細地選取呢？也許存在某種原因，使得宇宙必須剛好具有臨界密度。看來可能存在兩種解釋。一種是所謂的人擇原理，它可被重述如下：宇宙之所以是這種樣子，是因為否則的話，我們就不會在這裡觀測它。其思想是，可能存在許多具有不同密度的不同宇宙。只有那些非常接近臨界密度的能存活得足夠久並包含足夠形成恆星和行星的物質。只有在那些宇宙中才有智慧生物去訪問這樣的問題：密度為什麼這麼接近於臨界密度？如果這就是宇宙現在密度的解釋，則沒有理由去相信宇宙包含有比我們已探測到的更多物質。十分之一的臨界密度對於星系和恆星的形成已經足夠。

然而，許多人不喜歡人擇原理，因為它似乎太倚重於我們自身的存在。這樣就有人對為何密度應這麼接近於臨界值尋求另外可能的解釋。這種探索導至極早期宇宙的暴漲理論。其思想是宇宙的尺度曾經不斷地加倍過，正如在遭受極端通貨膨脹的國家每隔幾個月價格就加倍一樣。然而，宇宙的暴漲更迅猛更極端得多：在一個微小的暴漲中尺度的至少一千億億億倍的增加，會使宇宙這麼接近於準確的臨界密度，以至於現在仍然非常接近於臨界密度。這樣，如果暴漲理論是正確的，宇宙就應包含足夠的暗物質，使得密度達到臨界值。這意味著，宇宙最終可能會坍縮，但是這個時間不會比迄今已經膨脹過的一百五十億年左右長太多。

如果暴漲理論是正確的，必須存在的額外的暗物質會是什麼呢？它似乎和構成恆星和行星的正常物質不同。我們可以計算出宇宙在大爆炸后的最初三分鐘的極早期階段產生的各種輕元素的量。這些輕元素的量依賴於宇宙中的正常物質的量而定。我們可以畫一張圖，在垂直方向標出輕元素的量，沿著水平軸是宇宙中正常物質的量。如果現在正常物質的總量大約只為臨界量的十分之一，則我們可以得到和觀測很一致的丰度。這些計算也可能是錯誤的，但是我們對於幾種不同的元素得到觀測到的丰度這個事實，令人印象十分深刻。

如果存在暗物質的臨界密度，那麼其主要候選者可能是宇宙極早階段的殘餘。基本粒子是一種可能性。存在幾種假想的候選者，那是些我們認為也許存在但還沒有實際探測到的粒子。但是最有希望的情形是中微子，我們對它已有很好的證據。它被認為自身沒有質量，但是最近一些觀測暗示，中微子可能有小質量。如果這一點得到證實並發現具有恰好的數值，中微子就能提供足夠的質量，使宇宙密度達到臨界值。

黑洞是另一種可能性。早期宇宙可能經歷過所謂的相變。水的沸騰和凝固便是相變的例子。在相變過程中原先均勻的媒質，譬如水，會發展出無規性。在水的情形下會是一大堆冰或蒸汽泡。這些無規性會坍縮形成黑洞。如果黑洞非常微小的話，它們由於早先描述的量子力學的不確定性原理的效應，迄今已被蒸發殆盡。但是，如果它們超過幾十億噸(一座山的質量)，則現在仍在周圍，並且很難被探測到。

對於在宇宙中均勻分佈的暗物質，它對宇宙膨脹的效應是唯一探測其存在的方法。由測量遙遠星系離開我們而去的速度便可確定膨脹的減慢程度。其關鍵在於，光離開這些星系向我們傳播，所以我們是在觀測在遙遠的過去的這些星系。人們可以繪一張圖，把星系的速度和它們的表觀亮度或星等作比較，星等是它們離開我們的距離的測度。這張圖上的不同曲線對應於不同的膨脹減慢率。向上彎折的曲線對應於將要坍縮的宇宙。初看起來觀測似乎表示坍縮的情景。但是麻煩在於，星系的表觀亮度不能很好地標度離開我們的距離。不僅在星系的本徵亮度存在相當大的變化，而且還有證據說明其亮度隨時間而改變。由於我們不知道允許的亮度演化是多少，所以我們還不能說減慢率是多少：它是否快到使宇宙最終坍縮，或者宇宙會繼續永遠膨脹下去。這必須等到我們發展出更好的測量星系距離的手段后才行。但是我們可以肯定，減慢率沒有快到使宇宙在今後的幾十億年內坍縮的程度。

宇宙在一千億年左右既不永遠膨脹也不坍縮是一個非常激動人心的前景。我們是否有所作為使將來變得更加有趣呢？一種肯定可為的做法是讓我們駕駛到一顆黑洞中去。它必須是一顆相當大的黑洞，比太陽質量的一百萬倍還要大。在銀河系的中心很可能有顆這麼大的黑洞。

在一顆黑洞中會發生什麼我們還不很清楚。廣義相對論的方程允許這樣的解，它允許人們進入一顆黑洞並從其他地方的一顆白洞里出來。白洞是黑洞的時間反演。它是一種東西只出不進的物體。在宇宙的其他部分可能會有白洞。這似乎為星系際的快速旅行提供了可能性。麻煩在於這種旅行也許是過於迅速了。如果通過黑洞的旅行成為可能，則似乎無法阻攔你在出發之前已經返回。那時你可以做一些事，譬如講殺死你的母親，因為她一開始就不讓你進入黑洞。

看來物理定律不允許這種時間旅行，這也許對於我們(以及我們母親們)的存活是個幸事。似乎有一種時序防禦機構，不允許旅行到以前去，使得這個世界對於歷史學家是安全的。如果一個人向以前旅行，似乎要發生的是，不確定性原理的效應會在那裡產生大量的輻射。這種輻射要麼把時空捲曲得如此之甚，以至於不可能在時間中倒退回去，要麼使時空在類似於大爆炸和大擠壓的奇性處終結。不管哪種情形，我們的過，去都不會受到居心叵測之徒的威脅。最近我和其他一些人進行的一些計算支持這個時序防禦假設。但是，我們過去不能將來永遠也不能進行時間旅行的最好證據是，我們從未遭受到從未來來的遊客的侵犯。

現在小結如下：科學家相信宇宙受定義很好的定律制約，這些定律在原則上允許人們去預言將來。但是定律給出的運動通常是混沌的。這意味著初始狀態的微小變化會導至後續行為的快速增大的改變。這樣，人們在實際上經常只能對未來相當短的時間作準確的預言。然而，宇宙大尺度的行為似乎是簡單的，而不是混沌的。所以，人們可以預言，宇宙將永遠膨脹下去呢，還是最終將會坍縮。這要按照宇宙的現有密度而定。事實上，現在密度似乎非常接近於把坍縮和無限膨脹區分開來的臨界密度。如果暴漲理論是正確的，則宇宙實際上是處在刀鋒上。所以我正是繼承那些巫師或預言者的良好傳統，兩方下賭注，以保萬無一失。