年轻的史蒂芬·霍金首次亮相 PopSci，解释了一项令人难以置信的发现

宇宙将如何终结？它会在冰层中消亡，在膨胀过程中不断冷却，直到整个宇宙的温度达到绝对零度吗？它会在一次猛烈的爆炸中消亡吗？它的组成部分会越来越快地冲在一起，直到它们全部汇聚成一个巨大的火球？还是宇宙会永远存在，无休止地膨胀和收缩？

这是人类所能提出的终极问题，它带有明显的神学和哲学色彩。然而，令人难以置信的是，天文学家认为他们很快就会知道答案。

他们的自信源自于过去 20 年来通过结合观测和理论进步，成功解答了一系列相关问题。宇宙是始于一次壮观的爆炸（“大爆炸”理论）还是一直存在，不断自我更新（稳态理论）？物质是如何聚集成我们称之为星系的巨大恒星群的？类星体和黑洞等奇异实体的本质是什么？它们又为解答终极谜题提供了什么证据？

寻找这些问题的答案，让我们看到了一幅与以往截然不同的宇宙图景。宇宙学家——专门研究宇宙本质的天文学家——曾经认为宇宙是一成不变、宁静祥和的，而现在他们认为宇宙是动态的、剧烈的，而且爆发的规模之大超出了人类的理解范围。

当今宇宙中充满了各种奇异的、几乎令人难以置信的物体：被称为黑洞的宇宙吸尘器，其密度之大甚至连光束都无法逃脱；被称为类星体的微小能量灯塔，其大小不及太阳系，但其释放的能量比数百万颗恒星还要多；还有巨大无比的星系，一位勇敢的太空旅行者需要数百万年才能穿越它们。与这些物体同样令人惊叹的是，宇宙学家认为他们能够理解这些物体在宇宙生命中扮演的角色。华盛顿卡内基研究所的维拉·鲁宾 (Vera Rubin) 表示：“在科学史上，很少有一个时期，我们的理解范围被如此显著地扩大。”

自 1930 年以来，宇宙学家一直在争论宇宙的发展。那一年，海尔天文台的一位名叫埃德温·哈勃的年轻天文学家发表了一篇令人震惊的论文。哈勃一直在研究星系的光谱——星系是宇宙中巨大的恒星群，其中大多数距离地球非常遥远。

对恒星、星系和其他物体进行光谱分析可以生成图表，显示天文学家感兴趣的单个目标所发出的光和其他辐射的精确频率。科学家以两种方式使用光谱。首先，他们获得有关特定恒星或星系内部化学物质的准确信息。同样重要的是，专家可以使用这些数据来发现物体相对于地球的移动速度。

速度测量依赖于多普勒效应，该效应以 19 世纪 40 年代发现该效应的奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒 (Christian Doppler) 的名字命名。当相对运动产生明显的频率偏移时，就会产生这种效应。多普勒频移会影响地球大致方向上恒星或星系发出的光、无线电波和其他类型的辐射。如果一个星系正在接近地球，它的光看起来会比正常情况下更蓝。如果它正在后退，望远镜下的光线看起来会比正常情况下更红。

当哈勃分析红移模式时，他发现了一件令人震惊的事情：星系无一例外地都表现出红移——这意味着它们正在远离我们。此外，它们离我们越远，退却的速度就越快。这幅图景不可逆转地表明宇宙正在膨胀。膨胀的宇宙如今几乎成了陈词滥调，但它让早些年已经习惯接受宇宙是静态和不可移动的天文学家感到惊讶。

一切如何开始

经过半个多世纪的仔细研究，除了少数特立独行的天文学家外，所有天文学家都相信多普勒效应是宇宙本质的关键。但研究结果可以用两种不同的方式解释。这些论点于 1948 年在几个月内相继发表。其中一种由英国人弗雷德·霍伊尔、托马斯·戈尔德和赫尔曼·邦迪提出，认为宇宙是无限的，无始无终。他们认为，宇宙之所以膨胀，是因为星系中不断产生物质。美国天文学家乔治·伽莫夫和拉尔夫·阿尔弗持不同观点。他们认为宇宙始于一场大爆炸——一个火球在开始时爆炸，并将宇宙的所有碎片向外抛出，而这种力量自此使宇宙不断膨胀。由于涉及巨大的距离和时间——根据伽莫夫和阿尔弗的计算，大爆炸肯定发生在数十亿年前——很少有天文学家对在这两种理论中做出决定抱有很高的希望。随后，1965 年，一项发现彻底改变了宇宙学。

这件事一开始让新泽西州霍姆德尔贝尔电话实验室的射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊感到尴尬。他们打算用无线电天线研究恒星，但天线中却一直有微弱的嘶嘶声，他们无法消除。两人清理了仪器中的几只筑巢的鸽子，彻底擦洗了它，拆开又重新组装，但无济于事。微弱的干扰继续存在，从他们指向天线的每个方向都以完全相同的音量发出。“那感觉就像没有雪茄的房间里的雪茄烟雾一样，”彭齐亚斯说。

后来，在飞机上的一次偶然相遇让两位天文学家结识了普林斯顿理论家 PJE 皮布尔斯，后者一直在研究大爆炸理论。皮布尔斯推断，爆炸产生的辐射不会就此消失。它会继续弥漫在宇宙中，强度会逐渐减弱，但在大爆炸之后的数万年后仍然可以探测到。贝尔实验室似乎不太稳定的天线探测到的正是这种辐射，现在被称为宇宙微波背景。两年前，彭齐亚斯和威尔逊因他们的发现获得了诺贝尔物理学奖。为了庆祝这一发现，他们改编了 T.S. 艾略特的一句名言：“世界就是这样开始的，不是一声呜咽，而是一声巨响。”

虽然大爆炸理论显然已经战胜了稳态理论，但仍有许多问题没有得到解答。例如，宇宙会一直膨胀和冷却，直到变得黑暗、荒凉和寒冷吗？还是相互的引力会导致星系重新聚集在一起，然后再次爆发，形成一个类似于我们现在所处的循环？一个宇宙永远膨胀，一个宇宙收缩，最终以大爆炸的巨大逆转而告终，一个宇宙来回反复，这些前景似乎都同样令人不快。当然，没有人需要担心哪种情况会发生；如果真的发生收缩，大约一千亿年后才会开始。但这个问题对天文学家来说至关重要，因为宇宙的命运与它的本质息息相关。

空间的形状

在宇宙中，几何形状就是命运。宇宙学家认识到宇宙可以存在于两种可能的形状中。一种形状可以描绘成正在膨胀的气球表面的三维等价物。该表面没有可识别的边缘或中心，但其尺寸有限。在这种“封闭”宇宙中开始长途旅行的太空旅行者最终会在环绕宇宙一周后返回家园。但在另一种类型——“开放”宇宙中，他不会这样做。开放宇宙的形状更像一个马鞍形，四面八方无限延伸；旅行者永远不会回来，因为这样的宇宙是真正无限的。数学告诉宇宙学家，开放宇宙将永远膨胀，而封闭宇宙最终将收缩。因此，通过弄清楚宇宙的最终命运，专家们可以以一种迂回的方式确定它的形状。

有三种不同的方法可以判断宇宙是开放的还是封闭的。一种方法是测量它的总质量。如果质量足够，自然引力最终会把星系拉回到一起。如果没有，膨胀将永远持续下去。第二种方法是间接的。通过测量年轻宇宙中产生了多少重氢，即氘，天文学家希望计算出当时的密度——以及从那时起它的引力大小。第三种方法需要测量膨胀减缓的速度，方法是测量附近星系的速度，并将它们与宇宙生命早期开始旅程的更远物体的速度进行比较。

第一种方法——测量宇宙的质量——乍一看似乎类似于赫拉克勒斯的杰作之一。当然，它很复杂，但天文学家可以遵循一些规则，使这项任务稍微简化一些。关键是引力。通过观察星系和星系团等巨大物体通过引力相互产生的影响，天文学家可以估算出它们的质量。对星系和星系团的测量表明，宇宙的质量远不足以闭合；它似乎只包含所需质量的三分之一左右。然而，最近的一项发现可能会大大改变这一图景。

今年早些时候，加州大学欧文分校物理学家团队的弗雷德里克·莱因斯博士宣布了一项令人震惊且仍存在争议的发现，该发现与被称为中微子的微小亚原子粒子有关。物理学家们通常认为，这些难以捉摸的粒子没有质量，它们于 1932 年被理论化，但直到 1956 年才被真正发现。但在南卡罗来纳州核反应堆工作的欧文团队却持不同意见。他们宣布，中微子毕竟具有微小的质量。

如果他们的结论成立，那么宇宙将不断膨胀，最终收缩，而这个平衡可能会被打破。根据目前的原子理论，宇宙中每一点空间都含有大约 100 个中微子。宇宙中所有中微子的质量可能超过总质量的两倍，也许能提供足够的引力，最终导致宇宙收缩。如果发生这种情况，莱因斯认为宇宙将在收缩和膨胀之间来回反复。“没有开始，也不会有结束，”他在一次物理学会议上宣布研究结果时预言道。“其后果是神学的。”氘技术也产生了不确定的证据。但迄今为止对天空中同位素数量的测量，结合目前的核理论，明确指向一个开放的、无限的宇宙。宇宙学家警告说，他们的科学很难说是精确的，传统观点很容易出错——而新发现可能会完全改变这一图景。维拉·鲁宾警告说：“毫无疑问，我们今天仍然不知道宇宙中的其他主要组成部分。”

1960 年，有关宇宙本质和命运的最重要线索之一出现了。海尔天文台的艾伦·桑德奇在使用帕洛玛山望远镜时，发现了一系列外观奇特的光点。天文学家称它们为类星体，即“类恒星物体”的意思，但直到三年后，才有人知道它们是什么。桑德奇的同事马尔滕·施密特在观察类星体的光谱时灵光一闪。如果这种非同寻常的光谱来自一个红移如此剧烈、距离我们超过 10 亿光年的物体，那么这种光谱就可以得到解释。这一发现让宇宙学家第一次意识到，他们可以回顾宇宙的极远历史，并希望在那里看到一些东西。“类星体让我着迷，”施密特说。“宇宙竟然能在如此遥远的距离上向我们展示自己，真是太神奇了。”

多年来，桑德奇一直进行着仔细的测量，试图了解距离地球较近的星系（因此被视为它们在相对较近的过去）和类星体（距离地球较远，因此被视为它们在宇宙初期附近）的不同速度是否能为宇宙的最终命运提供任何线索。桑德奇是一位深居简出的宇宙学家，最近他甚至把电话从海尔天文台的办公室里拿了出来。迄今为止，桑德奇基于距离地球较近的星系进行的计算得出的结论是，引力永远无法赶上宇宙从大爆炸中获得的向外力，膨胀将永远持续下去——换句话说，宇宙将是一个开放的宇宙。

桑德奇的保守观点最近受到了一系列实验者的质疑，他们认为这些数字更戏剧性地表明宇宙是开放的。德克萨斯大学的研究人员和亚利桑那大学、基特峰国家天文台和哈佛-史密森天体物理中心的联合团队观察了一些遥远的星系，并得出结论，桑德奇的测量结果并不代表整个宇宙。原因是：我们自己的星系被如此迅速地拉向超星系团的中心，以至于它相对于天空其余部分的运动使得我们星系附近的所有测量都不可靠。这场争论影响着过去和未来。桑德奇的数字表明大爆炸发生在大约 200 亿年前。但如果新的测量结果是正确的，宇宙只有 100 亿年的历史。

科学界经常发生这样的情况：一个领域的进步会引发另一个领域的问题。近二十年前，天文学家发现类星体距离遥远，这让他们陷入了一个尴尬的问题，而答案可能现在才浮出水面。

问题在于，大多数星系发出的光不够强大，无法在几亿光年的距离内被发现。类星体的距离是这个数字的很多倍。因此，它们的能量源必须比恒星发出的能量源强大得多。这些能量源还必须被极度压缩。对数百个类星体的细致观察表明，这些神秘物体显然并不比我们的太阳系大。直到最近，物理学家们还无法提供任何解释——即使是理论上的解释——说明如何在如此相对有限的空间内产生如此巨大的能量。

但现在，理论家们有了一个强有力的候选者：黑洞。现在许多人相信，每个类星体深处都潜伏着一个黑洞，为这些物体提供穿透力。在某种程度上，黑洞和类星体一样神秘。它们似乎不遵循正常的物理规则；例如，它们天生就是隐形的。然而，大多数天文学家都承认它们存在，尽管还没有人找到完全令人信服的证据。加州理工学院的首席黑洞专家基普·索恩说：“黑洞如此奇异，却可能真实存在，这真是令人着迷。”

氢向重力屈服

理论家们最初提出，黑洞代表着一颗重量可能是太阳三倍的巨型恒星的垂死挣扎。恒星通常通过核聚变获得能量，即将氢原子核转化为氦原子核（核聚变为强大的氢弹提供能量）。大多数恒星中的氢可以存在数十亿年，但最终会耗尽。此时，引力开始发挥作用。这颗巨大的恒星在自身引力的拉动下开始压缩，变得越来越致密，越来越小。最终，这颗恒星可能不比曼哈顿岛大，但密度却是铅的数十亿倍。它实际上变成了一个引力巨大的球。它的引力如此强大，以至于附近的任何尘埃、气体甚至辐射都无法避免被拉入黑洞。这种力量强大到足以阻止任何东西离开黑洞——包括光。换句话说，从理论上和物理上来说，都不可能看到黑洞。唯一的办法就是靠得足够近，直到被黑洞吞没，在有机会写下它的样子之前就消失在黑洞的核心中。

如果科学家认为这样的任务不可能完成，他们就不是科学家了。天文学家承认他们无法直接看到黑洞，但他们认为他们可以发现黑洞的间接证据。其原理是观察被黑洞吞噬的物质。根据理论，当物质从视野中消失时，它会发出特定类型的 X 射线。如果天文学家能够发现这些 X 射线，他们就可以相当自信地说他们发现了黑洞。

目前还没有人声称已经实现了这一目标，但天文学家使用 X 射线望远镜发现了四个 X 射线发射区域的相当确凿的证据，这些区域似乎表明存在黑洞。最有希望的是天鹅座的一个区域，1967 年，X 射线天文学家、现就职于哈佛-史密森天体物理中心的 Riccardo Giacconi 首次将其发现为黑洞候选区域。对 X 射线进行更精确的测量最终应该可以证明这个被称为天鹅座 Xl 的源是否真的是一个黑洞。

类星体专家当然希望证据能尽快出现。通过对黑洞的更多了解，专家们认为他们将能够更多地了解类星体的奥秘。现在还发现，对黑洞的更好理解可能会解答另一个一直困扰天文学家的难题。当大爆炸发生时，大概存在高温下物质和辐射的平滑均匀的混合物。它是如何变成我们今天看到的行星、恒星和星系的块状聚集体的？研究这个问题的天体物理学家利用彭齐亚斯和威尔逊探测到的背景辐射，对宇宙在最初几秒钟内的样子做出了一些惊人的发现。事实上，对不同波长的微波背景的仔细研究为宇宙学家提供了大量有关创世初期事件的信息。

首先，他们已经确定大爆炸与传统的爆炸截然不同，后者会从单一中心向外发射物质。宇宙诞生的事件同时发生在所有地方——一个巨大而均匀的火球使宇宙中的所有东西以完全相同的速度向各个方向膨胀。正是由于这场大火的巨大威力，宇宙才得以持续膨胀至今。但随着宇宙变得越来越大，它也开始冷却下来，一开始冷却得很快，然后冷却得越来越慢。

物理学家甚至无法想象大爆炸后最初几百万分之一秒的情况。宇宙密度极高，温度极高，现有的理论无法解释。然而，令人惊讶的是，结合既定理论和精确观测，专家们可以非常自信地绘制出宇宙随后的历史。

大爆炸后约十分之一秒，宇宙的密度约为水的四十亿倍，温度降至约一千亿摄氏度。按照大多数标准，这个温度已经很热了——远高于恒星内部的温度，普通原子和分子无法生存——但对于理论物理学家来说，这个温度仍然足够低。在粒子加速器实验的指导下，宇宙学家推测，仍在膨胀的宇宙由辐射（如光）和物质的基本粒子组成，特别是电子、中微子和正电子，它们与电子完全相同，只是带正电荷。此外，宇宙粘稠物中开始出现一些质子和中子，它们是原子核的组成部分。

大约三分钟后，宇宙变得稍微舒适了一些。它冷却到十亿度，低到足以让一些质子和中子结合形成氢和氦的原子核。事实上，大爆炸三分钟后确定的这两种元素的比例——73% 的氢和 27% 的氦——预示了未来宇宙所有时代的原子构成。

物质和辐射持续混合了数十万年。在此期间，宇宙冷却到约 3000 度，在这个温度下氢和氦的原子核可以吸收电子并形成常规原子。随着自由电子以这种方式消失，物质和辐射彼此分离。辐射成为微波背景，而氢原子和氦原子则为恒星和星系提供了原材料。

找到中心

那么，这些块状星系是如何从这种均匀混合物中形成的呢？大多数理论都依赖于某种小核，这种小核会吸引大量的氢和氦，就像一杯冷却到冰点的水中有一粒灰尘可以作为冰形成的核心一样。一位名叫斯蒂芬·霍金的年轻天体物理学家在研究中发现了一个引人注目的核心候选者。霍金的职业生涯几乎和他的研究课题一样令人着迷。他年仅 38 岁，患有肌萎缩侧索硬化症（更广为人知的名字是卢格里格氏症）。他坐在轮椅上移动，不能写字，只能含糊不清地说话，需要别人帮助才能自己进食。但霍金能做的，可能是自爱因斯坦以来任何人都做不到的，那就是思考。他在脑子里构思出一长串复杂的数学方程式，然后非常缓慢地将它们口述给经过特殊训练的助手。

自 1971 年以来，霍金的思想一直集中在黑洞上。他特别研究了这样一种观点：在宇宙的早期，形成了许多微型黑洞，其直径不大于亚原子粒子。这些微型黑洞可能是星系凝聚的核心。

有没有什么方法可以检验这一革命性的理论？也许吧。随着霍金的深入探索，他得出了一个惊人的结论：黑洞并非完全是黑色的；它们实际上会泄漏一点。霍金承认，当时他对这一发现“相当恼火”。这似乎是不可能的。但他进一步的计算使他相信自己是对的。他解释说，黑洞附近的巨大能量可以自发地从空旷的空间中产生粒子对。霍金计算出，其中一个粒子很可能会落入黑洞，但另一个粒子可能会飞走，给人一种它已经逃离黑洞的错觉。最终，整个黑洞的质量可能会以这种方式逐渐减少，最终导致一场壮观的爆炸。霍金计算出，最小的黑洞现在甚至可能正在爆炸。

星系的演化及其在宇宙结构中的位置又带来了其他谜题。为什么所有已知的类星体都位于令人难以置信的距离——宇宙历史如此遥远？许多天文学家现在怀疑类星体实际上是正在形成的星系。也许它们在宇宙的早期阶段占据主导地位，然后基本上消失了。如果类星体在形成后不久就变成了常规星系，那么它们的消失就可以得到解释。到目前为止，这幅图景只是一种猜测，但对更遥远星系的新观察可能会解决这个问题。

新设备可能带来突破

观测结果不断积累，理论层出不穷，一些谜团甚至得到些许解答。但宇宙命运这一根本问题仍未确定，证据令人困惑。“最令人惊奇的事情之一是宇宙如此接近坍缩和膨胀的分界线，”斯蒂芬·霍金说。但新仪器有望解决这一争议。加州理工学院的杰罗姆·克里斯蒂安预测：“我们正处于获得确切答案的边缘，这些仪器将推动我们越过这一界限。”

克里斯蒂安提到了许多其他东西，其中包括微型计算机控制芯片，即电荷耦合器件，天文学家现在正在将这种器件安装在望远镜上。它们可以探测到光点，其精度之高前所未有。另一种方法是从大气层外进行观测。1984 年，一架直径 96 英寸的望远镜将搭载航天飞机发射，它正是这样做的。

在过去十年中，天文学家开发了另一种识别恒星和星系的强大手段。专家们利用高空气球、火箭和无人轨道卫星，在天空中搜寻许多外太空物体发射的 X 射线。本文开头的图片是“爱因斯坦”轨道天文台 HEAO-2 拍摄的超新星（爆炸恒星）残余的 X 射线图像 [PS，2 月]。这些 X 射线观测提供了有关此类物体内部复杂过程的新信息，从而帮助天文学家推断出有关其历史和最终命运的新事实。

尽管基本问题仍未得到解决，但确实存在的证据（其可信度如何尚有争议）表明宇宙是开放的。然而，一些天文学家仍然不相信宇宙是开放的，这是出于哲学原因。他们以所谓的人择原理的形式表达了他们的怀疑。人择原理简单地指出，我们可以观察到的宇宙类型是允许人类生命诞生和生存的宇宙。如果宇宙是开放的，那么它大概是唯一存在过的宇宙。考虑到宇宙适合人类生存的可能性，我们的存在至少与在轮盘赌中连续 10 次或更多次以相同的数字获胜一样了不起。另一方面，如果宇宙是封闭的，它可能会不断地在不同宇宙之间来回反复。如果是这样的话，我们所居住的宇宙只是众多宇宙中的一个。

这种哲学思考对许多天文学家来说并不吸引人。他们更愿意使用仪器获取新知识，以决定我们的宇宙是开放的还是封闭的——并提出大量有关创造的其他问题。麻省理工学院的菲利普·莫里森说：“我们当然不懂宇宙学，尽管有新闻报道。”尽管如此，宇宙学家能够认真尝试解决宇宙命运问题这一事实证明了他们近年来取得的进展，也证明了未来几年取得新成就的令人振奋的前景。

本文最初发表于 1980 年 12 月的《大众科学》杂志。