这些预测是可靠的，因为它们基于这样一种假设：在未来50亿年里，太阳内部的基本物理规律，以及恒星和星系之间的引力，都会像过去的5亿～100亿年一样起作用。然而除此之外，我们再无法预测到更多有趣的细节。我们不能确定，在未来50亿年里，地球是否仍然是离太阳最近的第三颗行星，即使行星轨道在这段时间内发生“混乱”。地球表面的变化更难预测，特别是由我们自己造成的地球生物圈越来越快的变化，即使在上述时间的百万分之一的时间跨度内，我们也无法作出可靠的预测。
目前，太阳还没有燃烧掉一半的燃料，它所剩的时间比过去整个生物进化过程所花的时间要长。银河系的寿命将远远超过太阳。即使现在生命是地球独有的现象，但它也有足够的时间在银河系内外蔓延。生命和智慧可能最终会影响恒星，甚至星系。在这里，我不想对此做进一步的推测，不是因为这条思路是荒谬的，而是因为它会引出各种各样的场景，类似于科幻小说中的场景，以至于我们什么也预测不了。相比之下，对整个宇宙的长期预测则更为可靠。
五六十亿年之后，银河系肯定会在一次大碰撞中毁灭。但宇宙会在之后继续膨胀下去吗？遥远的星系会离我们越来越远吗？或者这一切会逆向而行，整个宇宙最终重新坍缩成一个“大裂口”？
这些问题的答案取决于引力和膨胀能量之间的“竞争”。假设一颗巨大的小行星或行星爆炸成碎片，如果碎片散开得足够快，就会永远逃逸出去，但如果爆炸不那么剧烈，引力可能会逆转碎片的运动，使其重新组合在一起。宇宙中任何大领域的爆炸都与此类似。当前，我们已经估算出了宇宙的膨胀速度。那么，引力会让膨胀停止吗？答案取决于有多少物质在施加引力。如果密度超过特定的临界值，宇宙将停止膨胀，重新坍缩，除非有其他力量介入。
我们很容易就能计算出临界密度，大约相当于每立方米有5个原子。这似乎并不多，事实上，它更接近于一个绝对的真空，地球上的实验人员从未做到过这种程度的真空。实际上，宇宙似乎变得更空了。
假设用橙子代表太阳，那么地球就相当于一颗1毫米大的颗粒，在20米外绕橙子运转。按照同样的比例，离地球最近的恒星在一万千米之外。由此可以看出，像银河系这样的星系中的物质分布是多么稀疏。恒星一般都集中在星系当中，如果将所有星系中的所有恒星都分散到星际空间，那么每颗恒星与其最近邻居之间的距离将比一般星系中的实际距离大数百倍，根据上述提到的比例模型，每个橙子离其最近的邻居有几百万千米远。
如果所有的恒星都被分解，并且其原子均匀地分布在宇宙中，那么每10立方米空间中就会有1个原子。另外，在星系之间还散布着以弥散气体的形式存在的同等数量的物质（似乎不会比这更多），这就相当于每立方米空间中有0.2个原子，是临界密度的1/25。一旦超过这个临界密度，引力会使宇宙停止膨胀。
有多少暗物质
实际密度与临界密度之间的比率是一个至关重要的数字，宇宙学家用希腊字母Ω来表示。宇宙的命运取决于Ω是否超过1。初看之下，我们对宇宙中原子平均密度的估计Ω仅为0.04，与临界密度相差很大。这意味着地球将会永远膨胀下去。不过，我们不应过早得出这样的结论。在过去的20年里，我们逐渐发现宇宙中的物质比我们实际看到的要多得多，这些看不见的物质主要由未知性质的“暗物质”组成。宇宙中的许多发光物体，比如星系、恒星和发光的气体云，只占实际存在物质的一小部分，而且不具代表性。这与下述情形非常相似：地球上空最明显的物质是云状物，但实际上，这些都是稀薄的蒸汽漂浮在密度比它们更大的清澈的空气中。宇宙中的大部分物质，也就是数字Ω的主要贡献者，既不发光，也不会发射红外线、无线电波或任何类型的辐射，因此很难被探测到。
当前，关于暗物质存在的证据日益增多，几乎都无可争议。恒星和星系的运动方式表明，肯定存在某些看不见的物质对它们施加了引力。当我们发现一颗恒星围绕着一颗看不见的伴星旋转时，便可以推断出黑洞的存在。19世纪，人们据此推断出了海王星的存在，当时天王星的轨道出现了偏离，表明它受到了更遥远的看不见的物体的引力牵引，由此发现了海王星。
在太阳系中，促使行星向太阳坠落的引力和轨道运动的离心效应之间存在着一种平衡。同样，在整个星系的更大尺度上，引力效应和运动的离心效应之间也存在着一种平衡，引力往往会将所有物质都拉向中心，而运动的离心效应会使组成星系的恒星四处飞散（如果引力不起作用的话）。我们之所以推断出存在暗物质，是因为我们所观测到的天体的运动速度快得惊人，仅靠所看到的恒星和气体的引力是无法平衡的。
我们已经测量出了太阳围绕银河系的“轮毂”运转的速度，以及其他星系中恒星和气体云的运转速度。这些测量结果表明，它们的运转速度快得令人匪夷所思，特别是那些围绕着大多数恒星运行的“离群区域”的速度。如果最外层的气体和恒星受到的只是我们所看到的物质的引力，那么它们早应该逃逸出去了，就如同如果海王星和冥王星像地球一样快速运动，就会逃离太阳的引力束缚。这些观测结果告诉我们，大星系周围必定存在一种大质量且看不见的巨大光晕，这就如同，如果冥王星的公转速度变得和地球一样快，但仍然保持在轨道上，而不是逃逸，我们便由此可推断出，地球轨道和冥王星轨道之间存在一个重而不可见的壳。
由上述可知，如果宇宙中没有大量的暗物质，星系就不稳定，会四处飞散。人们经常以美丽的圆盘或旋涡来比喻星系，但这些画面仅仅描绘了发光物质，而它们被大量不可见、性质完全未知的物质的引力控制着。星系远比我们过去想象的大和重10倍。这个结论也适用于更大尺度上的整个星系团，其直径都达到数百万光年。若想将所有星系团结合在一起，则提供的引力大约是我们实际看到的物质的10倍。
不过，关于暗物质的推论背后有一个假设，即我们能计算出所看到的物质的引力大小。与光速相比，星系和星系团内部的运动是缓慢的，不存在“相对论性”的复杂性。因此，我们可以通过牛顿的平方反比定律得出，如果你离任何物体的距离增加2倍，那么受到的引力就会减弱至1/4。一些怀疑论者提醒我们，这一定律只在太阳系中得到了验证，将其应用于一亿倍大的尺度上缺乏足够的可信度。事实上，我们已经发现了诱人的线索，在整个宇宙的尺度上，引力可能会被另一种力战胜，这种力起排斥作用而非吸引作用（详见第10章）。
我们应该重新评估对引力的看法。如果施加在远距离物体上的引力比我们根据平方反比定律得出的要大，比如2倍距离上的物体所受到的引力减弱为1/4，那么我们就需要重新思考是否存在暗物质。但是，我们不应该如此轻易地放弃引力理论。如果暗物质没有其他可能的候选者，我们可能会忍不住放弃。不过，我们似乎有许多选择。在我看来，只有当所有的候选者都可以被排除时，我们才应该准备抛弃牛顿和爱因斯坦的理论。
事实上，其他一些迹象也表明存在大量暗物质。所有具有引力的物质都会使光线发生偏移，无论是发光的还是“暗的”。因此，通过测量光线经过这些物质时其路径偏移的程度，我们就可以称出星系团的质量。1919年，阿瑟·爱丁顿等人在日全食期间观测到的星光在太阳引力下发生了偏移，为相对论提供了早期验证，这使爱因斯坦在世界上声名鹊起。哈勃太空望远镜拍摄的一些远在10亿光年之外的壮观的星系团照片，显示出了许多微弱的条纹和弧线，实际上，它们都是一些遥远的星系，比星系团本身的距离要远好几倍；而星系团的外观是弯弯曲曲的，就好像是通过扭曲的镜头看到的似的。星系团就像一个“透镜”，可以聚焦穿过它的光线，就如同背景墙纸上的常规图案在一块曲面玻璃上看起来是条纹状和扭曲的。就算将星系团中可见的星系全部加在一起，都不足以产生如此大的扭曲。若想光线发生如此大的弯曲，并在背景星系的图像中造成明显的扭曲，该星系团的质量必须比我们看到的大10倍。这些巨大的天然透镜给了那些对星系的演化感兴趣的天文学家意外惊喜，因为它们将非常遥远的星系带入了人们的视野，原本这些星系因为太暗而无法被看到。
据推测，暗物质的数量是我们所看到的物质的10倍左右，是宇宙中引力的主要来源。对此，我们不必感到惊讶。暗物质本身并没有那么令人难以置信：为什么宇宙中的一切物质就应该是发光的，不能是暗淡无光的呢？我们的挑战在于如何缩小候选者的范围。
暗物质是什么样子的
综上所述，暗物质是不发光的，我们探测不到它们的任何一种辐射，它们也不吸收或者散射光。这意味着它们不是由尘埃组成的。银河系中存在一些可以形成星云的尘埃，就类似于那些形成烟草烟雾的微小颗粒。当光穿过星云时，就会被其中一些尘埃散射，使光的强度减弱。如果这些颗粒累积起来的质量足以构成所有的暗物质，那么任何遥远的恒星都会被它们挡在视线之外。
小而暗的恒星最易被当成暗物质。质量低于太阳质量8%的恒星被称为“褐矮星”，它们不会因为被压缩而热到引起核聚变反应，只会像普通恒星那样发光。宇宙中确实存在褐矮星，它们中的一些是在寻找围绕较亮恒星运行的行星时无意间被发现的，另一些，特别是附近的褐矮星则是通过探测它们发出的非常微弱的红光被发现的。那么，宇宙中一共有多少颗褐矮星呢？这个问题很难从理论上回答。大恒星和小恒星数目的比例是由非常复杂的过程决定的，而我们目前还不了解该过程。当星云凝结成恒星群时会发生什么呢？即使最强大的计算机也无法告诉我们真相。出于相同的原因，准确地预测天气预报也非常困难。
单个褐矮星可以借助引力透镜效应来发现。如果一颗褐矮星从一颗明亮的恒星旁边经过，那么褐矮星的引力就会使光线聚焦，使这颗恒星看起来被放大了，并发生明显的变亮或变暗。但这需要非常精确的瞄准，所以即使有足够多的褐矮星组成银河系的所有暗物质，这样的事件也非常罕见。然而，天文学家已经对这些“微透镜”效应(15)进行了雄心勃勃的搜索。数以百万计的恒星被反复监测，以找出那些每晚亮度都会发生变化的恒星。不过，恒星的亮度发生变化的原因有很多，有些因为存在脉冲，有些因为发生了耀斑，有些则因为围绕双星轨道运行。到目前为止，这项搜索任务已经发现了成千上万颗这样的恒星，一些天文学家对此很感兴趣，尽管搜索微透镜效应是一项非常复杂的工作。人们偶尔会发现有些恒星的亮度发生了明显的变化，当一个看不见的天体从这些恒星的前面穿过并聚焦它们的光线时，就会出现这种情况。目前我们还没有足够多的此类事件来证明存在一个新的“褐矮星种群”，也不清楚从较亮的恒星面前经过的普通暗淡恒星是否足够普遍，足以解释所记录的这些事件。
除了褐矮星，还有几种天体也有可能是暗物质。例如，在星际空间中穿行的“冷行星”，它们不依附于任何恒星，可能大量存在却没有被发现；再比如彗星状的冻结氢团；黑洞也可能是暗物质。
奇异粒子的实例
有人怀疑，褐矮星或彗星（甚至黑洞，如果它们是死恒星的残留物的话）有可能只是暗物质的一个很小的组成部分。因为我们有充足的理由怀疑暗物质根本就不是由普通原子构成的，这个结论源自氘元素（重氢）。
正如上一章所提到的，我们观测到的所有氘元素都是在“大爆炸”中产生的，而不是产生于恒星。截至目前，我们还不确定宇宙中氘元素的实际丰度。不过，天文学家从遥远星系接收到的光中探测到了氘的光谱印记，并将它与普通的氢区别开来。这项成果完全得益于口径为10米的新型望远镜的聚光能力。根据测量结果，氘的丰度非常低——5万个原子中只有1个氘原子。这个比例应该是从“大爆炸”中产生的，其大小取决于宇宙的密度。如果每立方米空间中有0.2个氢原子，那么观测结果就与理论相符。这与发光物质中原子（一半在星系中，另一半在星际之间的气体中）的实际数量相当吻合，但这样就剩下不了多少去构成暗物质了。
如果有足够多的原子组成所有的暗物质——这意味着至少比我们实际看到的物质多5倍（或许10倍），就会打破与理论的一致性。然而，根据“大爆炸”模型预测的结果，氘的丰度甚至比我们实际观测到的还要低，而氦的丰度却比实际观测到的要高。宇宙中氘的起源将成为一个谜。这告诉我们一件非常重要的事情：宇宙中原子的密度为0.2个每立方米空间，只占临界密度的4%，而占主导地位的暗物质是由某种在核反应中具有惰性性质的物质构成的。这意味着，一种根本不是由普通原子构成的奇异粒子对数字Ω起着主要作用。
难以捉摸的中微子可以作为异常粒子的侯选者之一。中微子不带电流，几乎不与普通原子发生作用：所有撞击地球的中微子都会直接穿过地球。在“大爆炸”发生后的第一秒，宇宙的温度超过了100亿摄氏度，所有的物质都浓缩在一起，以至于将光子（辐射的量子）转换成中微子的反应很快达到平衡。因此，从宇宙“火球”中产生的中微子的数量应该与光子的数量有关联。人们可以根据标准且无争议的物理学计算出，中微子的数量是光子数量的3/11。在“大爆炸”遗留下来的宇宙微波背景辐射中，每立方米空间中有4.12亿个光子。宇宙中有三种不同类型的中微子，在每立方厘米的空间中，每种中微子的数目都应该为113个，换句话说，宇宙中原子与中微子的数量之比为一比数亿。当然，在暗物质的组成中，三种中微子中质量最大的一种最为重要。
由于中微子的数量远远超过原子，所以即使它们的质量只有原子的一亿分之一，也极有可能成为占主导地位的暗物质。20世纪80年代之前，几乎所有人都认为，中微子是“零静止质量”的粒子。因此，中微子将会携带能量以光速运动，但它们的引力效应并不明显；同样，早期宇宙遗留下来的光子，即现在被检测到的宇宙微波背景辐射，也不会产生任何显著的引力效应。然而事实证明，中微子可能拥有质量，即使质量非常小。
中微子拥有质量的最佳例证来自在日本神冈的实验。该实验在一个废弃的锌矿的巨大水槽里进行。实验人员测量了来自太阳的中微子（中微子是太阳内核核反应的副产品），以及其他由撞击地球高层大气的高速粒子（宇宙射线）产生的中微子。这些实验表明，中微子质量非零。但是由于它们的质量太小，不足以说明它们对暗物质的重要性。然而，这却是关于中微子本身的一个重要发现。初看之下，它们似乎使微观世界变得更加复杂，但其质量非零的发现可能为中微子和其他粒子之间存在的联系提供额外的线索。
虽然我们还不知道中微子的确切质量，但至少知道中微子是确实存在的。此外，科学家之前假设的一长串粒子也可能真实存在，如果真是如此，它们从“大爆炸”中遗留下来的数量足以在数字Ω中占主导地位。到目前为止，还没有令人信服的证据证明，这些粒子的质量到底有多大，最佳猜测是氢原子的100倍。如果有足够多这样的粒子构成银河系中所有的暗物质，那么在太阳附近，每立方米空间中就会有几千个这样的粒子，它们的移动速度与银河系中恒星的平均速度大致相同，可能是300千米每秒。
这些粒子的质量虽然很大，但呈电中性。一般来说，这些粒子会像中微子一样直接穿过地球。不过，一小部分粒子在穿过物质时有可能会与该物质中的某个原子相互作用。即使每个人体内都有约1029个原子，每天也只会发生几次这样的碰撞。显然，我们自己什么也感觉不到。然而，当这种碰撞发生在硅或类似的物质中时，我们可以通过非常精确的实验探测到微小的“冲击”或反冲。探测器必须冷却到非常低的温度，并放置在地下深处。例如，这些探测器被设置在英国约克郡的一个矿井中和意大利山下的一个隧道中，以避免其他活动淹没暗物质碰撞时所发出的可信赖的信号，造成干扰。
一部分物理学家已经接受了这种“地下天文学”的挑战。虽然这是一项精细且乏味的工作，但如果他们真的取得了成功，不仅会发现宇宙的主要组成成分，而且作为奖励，还会发现一种重要的新粒子。不过，只有极端的乐观主义者才会将赌注压在成功上，因为目前我们还没有理论能说明暗物质粒子是什么，因此很难以最佳方式集中搜索。
此外，人们也提出了许多其他想法。一些理论物理学家更偏爱一种更轻的粒子，叫作轴子（axion）。其他人则怀疑，暗物质粒子可能比目前正在搜寻的那些粒子重10亿倍，如果真是如此，粒子的数量将减少至1/109，这使探测工作更加困难。或者，这些粒子可能更加奇特，例如，可能是在早期宇宙的极端高压下形成的原子大小的黑洞。
缩小选择范围
暗物质的一些可能选项是可以被排除的。目前，科学家正在通过各种技术竭力寻找其他可能的候选者。引力微透镜效应可以探测到暗恒星或黑洞，矿井底部的实验人员有可能会发现一些正在穿过银河系的新型粒子。有时消极的结果也具有重要意义，因为它们至少可以排除一些可能的选项。
暗物质可能有几种不同的类型。如果宇宙中不存在褐矮星和黑洞，那将会非常令人惊讶。不过，奇异粒子存在的可能性似乎更大，因为从氘得到的证据表明，大多数暗物质不是由普通原子组成的。
令人尴尬的是，宇宙中超过90%的物质仍未得到解释。更糟糕的是，组成暗物质的粒子的质量可能在10-33克（中微子）到1039克（重黑洞）的范围内，其不确定性高达1070。这一关键问题也许可以通过三种途径得到解决。
● 构成暗物质的实体可以被直接探测到。褐矮星会使恒星产生引力透镜效应。如果银河系中的暗物质是一簇粒子，那么其中一些就可能会被地下深处那些勇敢的实验人员探测到。我很乐观地认为，如果在5年后写这本书，我也许就能说清楚暗物质是什么。
● 实验人员和理论物理学家一直在向我们揭示中微子的更多信息。中微子的质量足以使其成为暗物质的重要组成成分（尽管现在看来并非如此）。当我们能更好地理解极端高能和高密度状态下的物理过程时，就能知道曾经还存在过哪些类型的粒子，并且能够推断出这些粒子是如何从宇宙诞生的第一毫秒内留存下来的，就如同我们现在能够确切地知道从宇宙的最初三分钟中留存下来的氦和氘的含量。
● 暗物质支配着星系。星系是何时和如何形成的，以及它们是如何聚合的，这些主要取决于其引力的主导部分是什么，以及它们在宇宙膨胀过程中如何起作用。我们可以对暗物质作出不同的预测，然后计算出每种预测的结果，看看哪种结果最接近我们实际观察到的结果。这样的计算可以为暗物质是什么提供间接的线索（我将在第8章对此展开详述）。
为什么是物质而不是反物质
我们还不知道极早期宇宙中究竟存在过哪些类型的粒子，也不知道有多少粒子留存了下来。如果事实真像我认为的那样，对Ω贡献最大的是一些新型粒子，那么我们对宇宙的态度不得不再谦虚一些。我们已经习惯了哥白尼之后的观点，知道地球在宇宙中并没有占据特殊的中心地位，而现在，我们也必须放弃“粒子沙文主义”。组成我们身体和所有可见恒星和星系的原子只占整个宇宙组成的很小一部分，宇宙在大尺度上是由一些完全不同且不可见的物质控制的，我们看到的只是浪尖上的白色泡沫，而非巨浪本身。我们必须将整个宇宙栖息地看作一片漆黑之地，主要的组成成分是未知物质。
普通原子似乎只占宇宙组成部分的“少数”，并且淹没在从“大爆炸”最初瞬间留存下来的完全不同的粒子之中。然而，更令人费解的是：为什么会有原子？宇宙为什么不全是由暗物质组成的呢？
每一种粒子都有相应的反粒子。比如，质子（由三个所谓的“夸克”组成）的反粒子是反质子（由三个反夸克组成），电子的反粒子是正电子。反粒子与普通粒子相遇时会发生湮灭，它们的能量（mc2）转化为辐射。不过，地球内部和表面不存在大量的反粒子。当粒子在加速器里以足够高的能量相互碰撞时，可以产生微量额外的粒子-反粒子对。反物质是理想的火箭燃料。当它们湮灭时，就会释放出全部的静止质能，相比之下，通过核聚变反应来提供能量的火箭的质能转化率只有ε=0.007。反物质只有在与普通物质“隔离”的情况下才能生存，否则，它们就会相互湮灭，并释放出强烈的伽马射线。我们可以肯定的是，整个银河系，包括其中所有的恒星和气体，都是物质，而非反物质：其全部物质不断地被恒星的诞生和死亡搅拌和循环利用，如果它当初有一半物质和一半反物质，那么现在的一切将不复存在。然而，在更大的尺度上，这种混合也许不太有效，例如，我们无法反驳这样的推想：“超星系团”是由物质和反物质相间组成的。那么，为什么宇宙在表面上会表现出对一种物质的偏爱呢？
目前的可见宇宙中有1078个原子（占比最多的是氢原子，每个氢原子由一个质子和一个电子组成），但似乎并不存在这么多的反原子。人们可能会推想，最简单的宇宙在刚开始时，拥有等量的粒子和反粒子。所幸的是，宇宙并不是这样的。否则，在早期的高密度阶段，所有的质子已经和反质子相互湮灭了，宇宙中将充满辐射和暗物质，而不会有原子、恒星和星系。
为什么会出现这样的不对称现象呢？宇宙中超出的1078个原子可能从一开始就存在，但将这么大的数字简单地作为“初始条件”的一部分，似乎不太合理。俄罗斯物理学家安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）最为人所知的成就是在研制氢弹方面的贡献，不过他在宇宙学上也提出了一些有先见之明的观点。1967年，他研究了宇宙在“大爆炸”后的冷却过程中是否出现了一种轻微的不对称，使粒子超过它们的反粒子。这种失衡能够使夸克的数量稍微超出反夸克的数量，从而使质子的数量超过反质子的数量。
根据萨哈罗夫的观点，我们必须放弃物质和反物质的行为之间的完美对称关系。1964年，美国物理学家詹姆斯·克罗宁（James Cronin）和瓦尔·菲奇（Val Fitch）发现了这种效应，引起了巨大轰动。当时，他们正在研究一种叫作K。的不稳定粒子的衰变，最终发现这种粒子和其反粒子之间并非完美地呈镜像对称，而是以略微不同的速率进行衰变；在支配衰变的规律中，也存在一些轻微的不对称性。这意味着，如果我们能与一位“外星”物理学家取得联系，他可以报告在另一个星系所做的实验，这样我们就能够判断出这位物理学家是由物质还是反物质组成的，这是在确定接头地点之前必须谨慎地搞清楚的。K。的衰变只涉及所谓的弱相互作用力（支配放射性和中微子的力），而不涉及强相互作用力。然而，在一种关于力的统一理论中，这种不对称性会从一种力“传递”到另一种力上。这为萨哈罗夫的理论提供了基础。
假设这种不对称在每10亿对夸克-反夸克中会导致产生一个额外的夸克。随着宇宙的冷却，反夸克将会全部被夸克湮灭，最终释放出光子。现在，这种辐射已经冷却到非常低的温度，构成了弥漫于星际空间的温度达2.7开尔文的宇宙微波背景辐射。
然而，每有10亿个夸克被反夸克湮灭时，就会有一个夸克存活下来，因为它找不到一个可以相互湮灭的伙伴。事实上，宇宙中光子的数量是质子的10亿多倍（每立方米空间中有4.12亿个光子，而只有0.2个质子）。因此，宇宙中的所有原子都可能产生于有利于物质而不是反物质的微小偏差。我们以及周围的可见宇宙之所以存在，可能仅仅是因为夸克和反夸克的数量在个位数上的差别。
当前可见宇宙之所以包含原子而非反原子，是因为宇宙非常早期的某个阶段存在一种占主导地位的轻微“偏向”。当然，这意味着，当质子或其组成成分夸克有时出现或消失时，反质子不会发生同样的现象。这与净电荷形成鲜明的对比：净电荷是完全守恒的，所以如果宇宙一开始不带电荷，那么正电荷和负电荷之间永远会精确地互相抵消。
尽管原子的衰变速度低得令人难以置信，但原子并不会永远存在。对原子寿命的最佳预测是1035年左右，这意味着，在一个装有1 000吨水的容器中，平均每年将会有1个原子发生衰变。地下实验室中用来捕获中微子的水箱就具有同样的大小，尽管实验无法达到这种灵敏度，但它已经告诉我们，中微子的寿命至少为1033年。
在遥远的将来，所有的恒星都会变成寒冷的白矮星、中子星或黑洞，而白矮星和中子星本身会随着组成原子的衰变而逐渐被侵蚀，进而消亡。如果这种侵蚀一直持续1035年，这么漫长的衰变所产生的热量将使每颗恒星产生辐射，其能量相当于一台家用电热器的热量。在遥远的将来，当所有的恒星都耗尽它们的核能时，这些微弱的辐射体将成为宇宙中主要的热量来源，除了恒星碰撞时偶尔产生的火光。
初始膨胀的调谐
Ω的值不是正好等于1，但现在至少是0.3。初看起来，这似乎并不是精细调谐的结果。然而，这意味着Ω在宇宙早期确实非常接近均衡值1。这是因为，除非膨胀能和引力能刚好精确地平衡(16)，否则这两个能量之间的差距就会不断增大。一方面，在早期宇宙中，如果Ω一开始就稍微小于均衡值1，那么动能最终会占据主导地位（这样Ω就变得非常小）；另一方面，如果Ω远远超过均衡值1，那么引力很快就会占据上风，从而使宇宙停止膨胀。
当前可见宇宙“演化轨迹”的各种可能性如图6-1所示，这个范围与从暗物质研究中得出的Ω的当前值的结论一致。该图还描绘了其他类型的宇宙，而这些宇宙中是不可能演化出我们所知道的生命形式的。这就引发了一个基本的谜题：为什么在100亿年后，宇宙仍然以与均衡值1相差不大的Ω值膨胀呢？
图6-1 宇宙“演化轨迹”的各种可能性
此图展示了宇宙各种可能的演化轨迹。尽管当前Ω的值仍然不确定，但为了确保宇宙最终在允许的范围内，必须对初始条件进行非常精确的调谐。如果没有这种调谐，膨胀要么太快，星系无法形成；要么太慢，以至于宇宙在没来得及进行任何有趣的演化之前就坍缩了。在第9章，我将会对这种调谐进行详细的解释
正如我们在上一章中看到的那样，我们有很好的理论基础来反推出宇宙出现后一秒钟内的情况，当时的温度正好是100亿摄氏度。假设你正在“建造”当时的宇宙，这个宇宙的演化轨迹将取决于它最初所获得的动力。一方面，如果该动力使宇宙启动得太快，那么从很早开始，膨胀能量就会占据主导地位，换句话说，Ω将变得非常小，星系和恒星将永远无法通过引力聚集并收缩形成，宇宙将会永远膨胀下去，但永远无法进化出生命。另一方面，膨胀的速度也不能太慢，否则会造成宇宙大坍缩。
任何紧急出现的复杂现象都必须以密度和温度的不均匀性为基础，例如，地球生物圈通过吸收太阳的热辐射获得能量，然后再将其重新释放到寒冷的星际空间之中。因此，如果我们在定义生命时，放弃最轻微程度的人类中心主义，就可以得出这样的结论：在任何生命开始之前，宇宙必须膨胀到摆脱原始火球的状态，并且至少冷却到3 000摄氏度以下。如果初始膨胀速度太慢，这样的情况就不会发生，生命也就没有出现的机会。
从这个角度来看，宇宙是由一种非常精准的推动力引发的，它正好能够平衡引力的减速趋势。这一点令人感到惊讶，这就如同你坐在井底向上扔了一块石头，它正好落在井口处。这种惊人的精确度意味着，在宇宙“大爆炸”后的一秒钟，Ω与均衡值1的差别不能超过千万亿分之一（10-15），只有这样，在100亿年以后的今天，宇宙才能仍然处于膨胀之中，并且Ω的值肯定从未与均衡值1相差太远。
我们已经指出，任何复杂的宇宙必须包含一个大数N，它表示引力的强弱程度，同时还必须具有一个适当的ε值，以确保核聚变和化学反应的进行。不过，这些条件虽然是必要条件，但不是充分条件。只有当宇宙具有一个“精细调谐”的膨胀速度时，才能为这些过程的展开提供舞台。因此，Ω必须列入宇宙的关键数字之中，它在早期宇宙中必须被调谐得极其接近均衡值1。如果膨胀太快，引力就永远无法将零散的物质拉到一起形成恒星或星系；如果初始动力不足，一场过早的大危机将在宇宙演化刚刚开始时就将其扼杀。
宇宙学家对这种“调谐”的反应各不相同。初看起来，最常见的反应似乎有悖常理。它强调，既然早期宇宙是在Ω非常接近均衡值1的情况下形成的，那么一定存在某种深层次的原因能够证明Ω精确地等于均衡值1。换句话说，因为“调谐”非常精确，所以它一定是绝对完美的。这种反常的推理在另外一些情况下非常管用。例如，我们非常确定，氢原子中质子所带的正电荷完全被核外电子所带的负电荷抵消，误差不会高于10-21。然而，并没有测量可以告诉我们，一个原子所带的净电荷恰好为零：任何测量总会有一些误差。所谓的“大统一理论”试图将电磁力和核力相互关联起来，在过去的20年里，这种理论已经提出了正负电荷之所以会相互抵消的深层原因。然而，即使在50年前，大多数物理学家也推测，这种抵消是完全的，尽管当时没有任何令人信服的论据。
另一个令人惊讶的现象是，宇宙以相同的速度（哈勃常数）向各个方向膨胀：这种速度可以用一个单独的“标量”来描述，它代表了埃舍尔网格中棒子的伸长。我们可以轻易地设想出这样一个宇宙：其在一些方向上膨胀得快，而在另一些方向膨胀得慢。然而，一个不那么均匀的宇宙似乎会遇到更多问题。为什么当我们从相反的方向观察遥远的区域时，它们看起来如此相似和同步呢？或者，为什么宇宙微波背景辐射(17)的温度在太空各处几乎是一样的呢？正如我们将在第9章中看到的那样，关于宇宙的这些特征以及早期宇宙中Ω的精细调谐问题，实际上存在一种更有力的解释，其中会引入宇宙“暴胀相”的概念。
07 数字λ：宇宙膨胀是在减速还是在加速
宇宙可能像他们说的那样大。但如果它不曾存在，就不会消失。
——皮特·海因（Piet Hein）
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宇宙中所含有的暗物质比普通原子多得多，但它们足以使宇宙物质的实际密度达到“临界密度”，使Ω精确地等于均衡值1吗？按照目前的推断，星系和星系团内的暗物质不足以如此。不过，暗物质均匀地散布在宇宙中，并不会影响星系团内部的运动，也不会影响星系团造成的光线弯曲，这种弯曲会使非常遥远的星系的图像放大和变形。因此，这就使暗物质变得更加难以捉摸。不过，好在多出的物质会通过影响整体宇宙的膨胀过程来显露自己的存在。那么，我们能否发现膨胀率的变化呢？
从原则上来说，这当然是可能的。红移现象告诉我们，远处物体发出光时是如何运动的。通过观测遥远星系或任何其他类型的天体的红移和距离，我们就可以推断出宇宙在早期时代的膨胀率。通过比较当前宇宙的膨胀率，我们就能得知膨胀率的变化有多大（如果变化存在的话）。
然而，膨胀率的变化是极其缓慢的，只有在几十亿年后的“基线”上才能显现出来。所以，除非我们能观测到几十亿光年以外的物体，否则就没有希望探测到膨胀率的变化。不过，这现在已经不成为一个问题了，因为科学家正在用10米口径的超高性能望远镜探测宇宙早期的情况，其时间不超过当前宇宙年龄的1/10。重要的问题是，必须找到足够标准的遥远物体，并与附近的同类物体有本质上的区别，因为我们要观测它们极早期的演化阶段。
最容易探测到的高红移天体是“类星体”，即极度活跃的星系中心。它们远非“标准化的发光体”：红移相似，也就是说距离相似的类星体在视亮度上的变化幅度却很大。更糟的是，我们对它们所知甚少，不知道随着宇宙年龄的增长，它们的原有性质会发生怎样的变化。
在某种程度上，星系比类星体更容易理解，即便星系没有类星体那么明亮，并且星系也可以显现出相似的红移。不过，这里同样存在问题。举例来说，如果动物园里有不同类型的动物，动物就好分类，但现在的情况是，太空中有很多不同类型的星系，因为红移相似，我们很难对它们进行分类。并且，它们会随着年龄的增长不断演化。之所以如此，有几个原因：现有的恒星在演化和死亡，而新的恒星又从气体中形成，或者，有的恒星被引力拉入星系，因为星系在不断地捕获较小的邻居，这种现象被称为“星系吞噬”。
星系太复杂、太多样，而且我们对它们了解甚少，因此它们还不足以作为“标准烛光”。它们远不如单个恒星那么容易理解。然而，单个恒星的光又太过暗淡，在宇宙学的距离上是无法被探测到的：我们的望远镜是通过探测整个星系中数十亿颗恒星的光总量来观测该星系的。不过，有些恒星在濒临死亡之时会爆炸为超新星，并且会持续燃烧好几天，其亮度与包含数十亿颗普通恒星的整个星系一样明亮。
寻找遥远的超新星
有一种特殊类型的超新星，其专业名称为“la型”。这种超新星会发生核爆炸：当一颗恒星的内核燃烧殆尽，质量达到一定的阈值，变得不稳定并濒临死亡时，其中心会突然发生核爆炸。实际上，这种超新星相当于一颗标准当量的核弹，我们对其物理学机制已经相当清楚，不必在此详述细节。重要的是，这种la型超新星可以被当作“标准烛光”，其亮度足以在远距离被探测到。根据它们的亮度，我们可以准确地测算出其距离，同时通过测量红移将其过去一个时期的膨胀速度和距离联系起来。宇宙学家希望这样的测量能够确定，宇宙膨胀减缓的速度究竟是小(18)还是大。如果像许多理论物理学家认为的那样，暗物质的含量超出我们的预料，有足够多的暗物质使宇宙物质的密度达到“临界密度”，使宇宙与最简单的理论模型相似，那么宇宙膨胀减缓的速度就会加快。
这些超新星显示了与其红移直接相关的另一趋势：与较近距离处的同类超新星相比，最遥远和红移最大的超新星变亮和变暗的速度要慢一些。这正是我们所预期的结果：一个远离我们而去的时钟会变慢。如果它发出周期性的“滴滴声”，之后发出的声音就要穿过更长的距离，到达地球的时间间隔就会变长。
超新星的变亮和变暗本身就像一个时钟，其“光变曲线”的减速与红移成正比，这正是当它们远离我们时所发生的情况。在一个静态的宇宙中，我们无法解释这一现象。对于任何怀疑红移是由于某种“光疲劳”效应造成的观点来说，这是最好的反证。
用社会学的说法来说，天文学是一门“大科学”：它需要庞大而昂贵的设备。一般而言，宇宙研究项目通常不需要工业化的团队合作，但在一些情况下，例如在实验室使用大型加速器来研究核内粒子时，这种团队合作是必须的。天文学家仍然可以单独作战，靠争取大型望远镜的几个晚上的使用权来独自研究，当然，他们也可以使用小型望远镜来开展一些创新性的研究，就像最先发现其他恒星周围存在行星的那些天文学家一样。不过，利用超新星进行宇宙学研究需要许多合作者之间的长期努力，并且需要使用好几架望远镜。这些天文学家面临的首要挑战是，捕获一些数十亿年前恒星爆炸时炸出的光子，也就是光的微弱痕迹。通过反复观测同一片天空，在遥远的星系中寻找偶然的瞬变光点，天文学家就可以找出遥远距离上的超新星。这些搜索是用中等大小的望远镜进行的，因为大型仪器有更多来自其他方面的需求，无法再分配给任何一个单独的项目。接下来，每一颗超新星都会被反复观测，以绘制出其“光变曲线”，并尽可能精确地测量其视亮度。这些工作最好使用10米口径的地面望远镜，或者哈勃太空望远镜。分析所有数据，并评估其可靠性，这也是一项精细的工作。
对于任何新的科学推断，尤其当它出乎人们的意料时，在得到独立证据的证实之前，自然都不会得到注重。在此之前，往往是令人沮丧的漫长等待。幸运的是，有两个独立的团队致力于开展“超新星宇宙学计划”。第一个真正进入这一领域的是索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter），他曾是加利福尼亚州劳伦斯-伯克利实验室（Lawrence Berkeley Laboratory）的物理学家。也许因为他一开始在天文学方面没有什么背景，因此没有被困难吓倒，于1990年左右投入了研究。逐渐地，他吸引并激励了一群来自英国和美国的合作者，与他共同开展研究。第二个小组也是国际性的，只是形成较晚，这个小组的几位研究人员提出了一项新技术，可以对超新星进行更加标准化的二级分类，珀尔马特的团队后来也采用了该方法。
到了1998年，每个研究小组都发现了大约十几颗遥远的超新星，并且信心十足地宣布了他们的初步研究成果：宇宙膨胀速度的减慢程度比假定Ω等于均衡值1而推导出来的结果要小。在以往，理论上有一个很深的成见，即认为Ω刚好等于均衡值1时的宇宙会比较简单。尽管上述结果与这一成见相反，但这并不令人吃惊，毕竟没有足够的证据表明，宇宙中有足够多的暗物质使Ω的值超过0.3。然而，真正令人惊讶的是，宇宙膨胀的速度似乎根本没有减慢，而是在不断加快。《科学》杂志将这一发现评为1998年科学领域中的头号发现。
这些观测正好在现有望远镜所能达到的极限范围内。遥远的超新星非常暗淡，很难对它进行精确的测量。此外，一些天文学家担心，星际空间中的尘埃“雾”会减弱光线，使超新星看起来比实际距离更远。除此之外，这些“炸弹”可能还不够标准，例如，它们的发光量可能取决于原有恒星中碳等元素的含量。然而，在越是宇宙年轻时形成的天体中，换句话说，就是在那些我们观测到的红移最大的天体中，这些元素的含量越会系统性地降低。科学家正在进行交叉对比，每个月都会有更多超新星被加入样本清单中。
宇宙膨胀正在加速？
宇宙膨胀的加速意味着空间本身有一些不同寻常的重要属性，即宇宙中必然存在另外一种力，即使在真空中，它也会导致“宇宙斥力”。这种力在太阳系中无法被察觉，也不会对银河系产生任何影响。不过，在更为稀薄的星际空间中，它可以压倒引力。尽管暗物质之间具有引力作用，但实际上膨胀却在加速。然而，如果只有引力作用，就会导致膨胀逐渐减速。因此，我们必须在当前的关键数字中引入另一个数字，来描述这种“反引力”的强度。
我们通常认为真空是“虚无”的，但如果我们将星际空间某个区域中所包含的少量粒子全部移走，甚至将原来穿过它的辐射也屏蔽开来，并将它冷却到绝对零度，这样得到的空间仍然可能会有一些残留的力。爱因斯坦就曾推测过这一情况。早在1917年，在他提出广义相对论之后不久，他就开始思考如何将这个理论推广到整个宇宙。事实上，那时的天文学家只了解银河系，自然就认为宇宙是静止的，既不膨胀也不收缩。爱因斯坦发现，静态的宇宙会立即开始坍缩，因为其中的物质相互吸引，除非有一种额外的力能抵消引力，否则宇宙不可能保持静态。因此，他在自己的理论中增加了一个被称为“宇宙常数”的数字，用希腊字母λ表示。这样，爱因斯坦的方程式便能推导出一个静态的宇宙，只要取一个合适的λ值，其中的引力就会被一种宇宙斥力抵消。这个宇宙虽然是有限的，但没有边际：你所发出的任何一束光最终都会折返回来，照在你的后脑勺上。
