不断膨胀的宇宙

中国古代有“盘古开天”的神话故事，而西方国家也有上帝创造世界的传说，这些都是人们关于宇宙诞生的想像。虽然没有任何依据，但也表达了人们对神秘宇宙的极大兴趣。

科学家时常把观测所及的宇宙称为“我们的宇宙”，而经过多年的观测，科学家们发现了一个惊人的事实：我们的宇宙正在不断地膨胀。

哈伯定律

早在1912～1917年期间，美国天文学家斯里福（Vesto Melvin Slipher）就用口径60公分的望远镜在洛厄尔天文台观测天体。意外的是，他发现除了仙女座大星系和另一个星系正向我们奔来之外，他所研究的15个星系中，有13个星系都在离我们远去，因为在这13个星系的光谱中都出现了红移，而这些星系退行的速度可达600km/s。

几年后，透过2.5公尺口径的望远镜观测天体，哈伯也证明了许多星云属于银河系以外的天体系统。在这之后的1929年，哈伯又发现了“哈伯定律”（Hubble'slaw），该定律一提出即震惊了世界，并迅速为世人所熟知。

“哈伯定律”是验证宇宙膨胀工作的开始阶段，其涉及到的星系数目、视向速度和距离都很有限，因此核实“哈伯定律”还需要进一步的观测工作。于是哈伯与他的同事们密切合作，开始深入的研究观测。哈伯与他的同事在1931年联名发表了一篇文章，这篇文章补充了观测资料，并进一步证明了“哈伯定律”。

然而，人们对于“哈伯定律”的含义及星系退行问题一直存在困惑。退行速度随星系变远而加快，这一奇怪现象也让科学家们难以理解。不过，透过回顾历史和认真分析爱因斯坦的相对论，宇宙学家终于找到了答案。

加速宇宙膨胀的“神秘物质”

人们注意到，早在1917年，荷兰天文学家德西特（Willem de Sitter）就证明了推论，该推论是由爱因斯坦在1915年发表的广义相对论得出的，即宇宙的某种基本结构可能正在膨胀，并且有著恒定的膨胀速率。

科学家认为，宇宙起源于一次137亿年前之间难以置信的大霹雳。这是一次不可想像的能量大霹雳，宇宙边缘的光要花120～150亿年的时间才能到达地球，而大霹雳散发的物质在太空中散逸（巨大星系即是由这些物质构成）。人们原本认为，宇宙会因引力（重力）而不再膨胀，但科学家已经发现了宇宙中有一种会产生斥力的“暗能量”，会加速宇宙膨胀。

大霹雳后的膨胀过程，源于一种引力与斥力之争，爆炸后产生的动力使宇宙中的天体不断远离，是一种斥力；而天体间又存在著阻止天体远离、甚至力图使其互相靠近的万有引力，引力的大小与天体的质量有关。因此，宇宙中物质密度的大小决定了大霹雳后的宇宙最终是不断膨胀，还是会停止膨胀，并反过来收缩变小。如果宇宙中物质的平均密度比临界密度小，宇宙就会持续膨胀下去，称为开放宇宙（open universe）；而如果物质的平均密度比临界密度大，膨胀过程迟早会停下来，并随之出现收缩，称为封闭宇宙（close duniverse）。　

问题似乎变得简单了，但实则不然。理论临界密度，经科学家计算后为5×10－30g/cm3，但实际上并不是那么容易就能测定宇宙中物质平均密度。星系间存在广袤的空间，如果把目前所观测到的全部发光物质的质量，在整个宇宙空间平摊开来，那么平均密度就只有2×10－31g/cm3，这就远远低于上述临界密度。

然而又有种种证据表明，宇宙中的“暗物质”可能远远超过可见物质的数量，这给测定平均密度又带来了许多不确定性。因此，在宇宙的平均密度是否真的小于临界密度的问题上，仍然存在争议。不过就目前来看，开放宇宙的可能性更大一点。

对封闭宇宙的想像

封闭宇宙的结局又如何呢？在封闭宇宙中，宇宙平均密度的大小决定了膨胀过程的结束时间早晚。如果平均密度是临界密度的两倍，根据一种简单的理论模型，那么经过400～500亿年后，即当宇宙半径扩大到目前的两倍左右时，引力开始占优势，膨胀则会停止，而宇宙接下来便开始收缩。宇宙收缩几百亿年后，其平均密度又大致回到目前的状态，不过原来星系远离地球的退行运动，将转为接近地球。再过几十亿年，宇宙背景辐射会上升到400K甚至更高，宇宙变得炽热而稠密，收缩的速度也越来越快。

星系在收缩过程中也会彼此并合，恒星间频繁碰撞。一旦宇宙温度上升到4000K，电子就会从原子中游离出来；达到几百万度时，所有中子和质子从原子核中挣脱。很快，宇宙就进入了下个阶段—“大暴缩”，一切物质和辐射被极其迅速地吞进一个区域（密度无限高、空间无限小），回复到大霹雳发生时的状态。

当然，一些地方都缺乏必要的科学证据，目前还都是想像。至于宇宙究竟是膨胀还是收缩，还有待于科学家们的继续研究探索。