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 茶余饭后聊聊科学（5）－我们的未来 |
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Mew2
[个人文集]
加入时间: 2004/02/14
文章: 5070
经验值: 33
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作者：Mew2 在 寒山小径 发贴, 来自 http://www.hjclub.org
宇宙学家如同考古学家，基本上只关心过去，很少关心未来。原因非常简单，因为
宇宙的记忆如同我们的记忆，是单方向的，化石只是“过去”的化石，没有未来的
化石。
由于物理学的因果性（这可是被隔壁的业余政治家们讨论烂掉的话题），如果我们
对过去或者现在了解得足够多，就可以精确地预言未来。拉普拉斯曾经狂妄地宣称，
如果你告诉我所有粒子的位置和速度，我可以告诉你未来的一切。
物理学有因果律，即便将量子论包括在内，还是有因果律。涉及到人类，因果性存
在不存在就有很大争议了。有彻底的还原主义者认为人类的一切行为都是预先确定
的。另一个极端是人有自由意志，从而是完全不可预测的。
宇宙学中似乎有一个不公开的共识，就是无论人有自由意志与否，人类社会对宇宙
的影响是可以忽略的－当然，物理学家戴森（F. Dyson）有稍微不同的看法，在他
看来，将来的有智力的生物可能得用宇宙的时空尺度来衡量，我们最后再谈一下为
啥他这么说。
宇宙学是一个大范围的学问，大到银河系甚至星系团只是用一个质点来代表，所以，
许多我们人类关心的问题统统可以忽略。除了在宇宙的早期，决定宇宙演化的只有
一个因素，就是万有引力。由于万有引力的普适性，宇宙物质的组成部分的许多具
体细节并不重要，重要的是它们的动力学性质。所以，人们将现在宇宙中存在的能
量分成以下三种：
（1）相对论性物质，指的是组成这些物质的粒子以接近光速的速度无规地运动。目
前，公认还存在的相对论性物质有两种，一种是光子，以微波背景辐射的方式存在，
它的能量密度是宇宙学测量中最为精准的，已达到万分之一的准确度。第二种是中
微子，一种很轻的几乎和所有粒子没有相互作用的粒子，其对能量密度的贡献可能
比光子稍低。但如果中微子的质量不是太小，可能是非相对论性物质，这个可能性
还很大。相对论性物质对宇宙总物质密度的贡献可以忽略，大概是万分之一。
（2）非相对论性物质，包括组成我们的质子、中子、电子，还有就是所谓的暗物质。
这些暗物质组成物质的绝大部分。
（3）暗能量。这种能量不能解释为正常的物质，因为暗能量有一个非常奇怪的特性：
当能量膨胀时，它对外界做负功，所以压强是负的。也就是说，和气球膨胀相反。
我们通常指的银河系等等天体都是由非相对论性物质组成的。即使其中有许多相对
论性物质，大范围来说，效果也是非相对论性的，因为星系作为一个质点，其特征
速度（这个词不好翻译：peculiar velocity）比光速小得多。记得我刚开始做研究
时，流行的看法是，我们的宇宙主要由这些物质组成的。但那个时候已经开始谈论
暗物质了，这些物质可能完全不同于我们在地球上、在太阳系中看到的物质，它们
不发光，它们的存在完全是通过引力作用探测到的。这在星系、星系团中是如此，
在大范围宇宙学中也是如此。
为什么我们将大范围宇宙学与更一般的天体测量分开？原因是，宇宙学演化需要几
个重要的参数。这些参数的自洽要求必须有暗物质存在。奇怪的是，在所有形式的
物质中，暗物质可能占了百分之九十还多！
不过，十年前大家认为宇宙中的能量主要来自于暗物质和一般的物质，这种想法在
几年前开始被改变了。
非常可能，我们宇宙中的能量，物质只占了百分之二十到三十，其余的部分是暗能
量，就是压强为负的能量。暗能量的存在，会加速宇宙的膨胀。过去，我们以为宇
宙虽然在膨胀，但膨胀的速度在减慢，在非常遥远的未来，膨胀的速度可能下降为
零，甚至变成负的－宇宙可能收缩。
但这个观点现在不再流行，甚至非常可能是错的。暗能量的存在，使得宇宙不断地
加速，而加速的结果是，物质密度越来越小，暗能量密度基本不变。暗能量密度之
所以不变正是因为暗能量的负压强：虽然宇宙膨胀了，但膨胀会对暗能量做功，使
得总的能量变大，而能量密度不变。普通物质的能量密度只会降低，因为压强是正
的。暗能量最基本的形式其实是爱因斯坦很早就提出的，那个时候叫做宇宙学常数，
宇宙学常数的存在使得引力有一部分是排斥力，这样宇宙才会加速膨胀。
这个令人惊讶的结果的直接来源是对Ia超新星观测得到的。我们前面说过，哈勃定
律说越是遥远的天体，红移越大，因为它们离开我们的速度越大。如果速度与距离
成正比，哈勃关系是一个线性关系。如果宇宙在加速膨胀，那么对于遥远的超新星
来说，红移比线性的要大些。
从宇宙学来说，我们也需要一个暗能量。观测宇宙的一个重要结果是（来自于微波
背景辐射），我们的宇宙在空间上是平坦的。这就要求总的能量密度是所谓的临界
密度，可是普通的物质包括暗物质达不到临界密度。
宇宙现在为暗能量所主导，它无处不在，密度均匀。虽然一间房子里的暗能量不过
几百个质子那么大，但宇宙在其主导下加速膨胀。一般物质的密度越来越小，这样
的话，世界还没有实现大同，我们的宇宙已经没有多少能源了。当然，这是上百亿
年后将发生的事。
戴森曾经问过，如果这样，那么智能生物如何生存下去？在能源稀少的情况下，只
有一种可能，就是生物体必须越来越大，大到比银河系还要大，生物运动的速度越
来越低。
这虽然比彻底灭绝要好些，但不是一个乐观的前景。
作者：Mew2 在 寒山小径 发贴, 来自 http://www.hjclub.org |
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