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<title>書路--黑洞、嬰兒宇宙及其他</title>
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黑洞、嬰兒宇宙及其他
十三、宇宙的未來[21]
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么樣子的。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。但是盡管這
些失敗，科學家仍然認為他們能預言未來。 [21]作者注：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。而真正的技巧在于
解釋。古希臘的德勒菲的著名巫師以模棱兩可而臭名昭著。當這些斯巴達人問道，在波
斯人攻擊希臘時會發生什么，這巫帥回答道：要么斯巴達會被消滅，要么其國王會被殺
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
的一次拯救斯巴達并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么。其回答是：一個偉大的王國將會崩潰?？肆_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愿意用股票來換錢，假定你在世界
末日什么也帶不走的話。
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。在沒有發生這件事后，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么事后，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，科學預言也許并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
的形響是多么微不足道的一個標志。
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復雜計算。
我們除了給出季度平均值以外，沒有辦法對六個月以后作具體的天氣預報。
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，盡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。其危險在于，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。
宇宙的其他地方對于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，盡管其時間尺度很長。這表明隨著時間流逝，任何預言的誤差
將越來越大。在一段時間之后，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，引起在十幾億年后發生這種碰撞。太陽和其他恒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余。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，存在諸如恒星、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1 0分之9999
9。
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，對于他
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恒星
公轉的一顆行星，而該恒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。這只有在如果宇
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?，F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。如果宇宙的密度大于某個臨界值，引力吸引將最終使膨脹停止并使宇宙開始
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
即便在大擠壓之后存在事件，它們要發生什么也是不能預言的。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于另一個事件之后。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“之后”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征或記憶，這種聲稱有什么意義呢？人們可以同
樣地講，它是完全不同的個體。
如果宇宙的密度小于該臨界值，它將不會坍縮，而會繼續永遠膨脹下去。其密度在
一段時間后會變得如此之低，引力吸引對于減緩膨脹沒有任何顯著的效應。星系們會繼
續以恒常速度相互離開。
這樣，對于宇宙的未來其關鍵問題在于：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占便宜。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恒星并把它們的
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
氣體云的質量，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于螺旋星
系。存在恒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恒星和氣體，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于星系團。我們觀測到星系在整個空間中分布得不均勻，
它們成團地集中在一起，其范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
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