二十世纪最伟大的物理学家爱因斯坦在1955年去世之后，物理学家沿着爱因斯坦基本完成的广义相对论和没有完成的统一场理论方向继续前行。应用物理学和天文观测取得的成果成为从二十世纪开始的人类“知识爆炸”的重要组成部分，极大地改变了人类的生活和生产方式。我们可以“如数家珍”地举出诸如航空航天、计算机、生物医药工程领域发生的一个又一个奇迹。理论物理学取得的成果大多与相对论和统一场理论有关，物理学家在粒子物理和天体物理的研究中建立了“标准模型”，在统一场理论的后续研究中构建了弦理论和圈量子理论等，在这些主流以外的分支理论达到了几十种、几百种，数量之多令人眼花缭乱，甚至一所著名大学的博士生可以在知名杂志发表的论文中提出自己“惊世骇俗”的一套理论。爱因斯坦和同时代的大科学家取得了难以超越的科学成就，也打开了科学探索的“潘多拉之盒”。缺少爱因斯坦的当今物理学陷入某种程度的混乱是可想而知的，一方面，爱因斯坦时代的物理学留下了诸多悬而未决的问题；另一方面，二十世纪物理学和宇宙学的“两朵乌云”——暗物质和暗能量出现了，“标准模型”和超弦理论等还不能建立暗物质和暗能量模型。二十一世纪的物理学领域难以出现一位爱因斯坦或普朗克式的大科学家，但是，在世界各地的著名高校和研究机构活跃着成千上万的科学团队，其中包括中国高校和科研院所的物理团队，依靠集体的科研力量和越来越先进的实验和观测手段，我们可以期待重要研究课题的突破，包括科学家和我们感兴趣的宇宙终极命运问题。

本作者在“网络物理学”和科普书刊的物理学搜索中，几乎每天都能发现一些混乱的物理解释，如何理解物理学陷入混乱或陷入混乱的物理学昵？比如：有物理学家声称希格斯粒子转化为暗能量，“上帝粒子”产生的暗能量加速了宇宙的分离；暗能量吞噬了暗物质，宇宙的未来是一个接一个的空洞；在时间中旅行是可能的，未来的人类可以回到过去，重新改变自己的人生轨迹；当暗物质粒子轰击地球的时候，在阳光下成长的人类将变成“暗人类”；太阳和恒星系是暗物质碰撞合并后留下的“遗迹”；黑洞中惊现神秘的暗物质；在平行宇宙中存在十一维的时空世界；外星人学会了利用恒星和暗物质的能量等等。一方面，我们在纷繁复杂的理论和解释中可以更清楚地了解科学认识的有限性；另一方面，大学和研究机构的物理学家可以“走进科学”，开展多种形式的科普教育活动，避免科学神秘主义的滋生蔓延。昨天以粒子物理的知识体系分析了宇宙的终极命运，今天转换到天体物理的知识体系，继续讨论宇宙命运的话题。在爱因斯坦生活的时代，天文学家还没有揭示暗物质和暗能量的作用，包括爱因斯坦在内的物理学家将广义相对论应用到宇宙学的研究，对宇宙的终极命运进行了分析和推断。爱因斯坦的“接班人”—亚历山大·弗里德曼在1922年提出了弗里德曼方程，它是广义相对论框架下描述时空均一性和各向同性的膨胀宇宙模型的一组方程。

根据这组方程，物质引力会导致宇宙膨胀的减速，宇宙的最终命运决定于物质的多少。如果物质密度超过临界密度，宇宙的膨胀会停止，并逆转为收缩，最终形成与大爆炸相对应的“大挤压”；如果物质密度等于或低于临界密度，宇宙会一直膨胀下去。宇宙的几何形状也与物质密度有关，如果密度大于临界密度，宇宙的几何形状是封闭的；如果密度等于临界密度，宇宙的几何形状是平直的；如果宇宙的密度小于临界密度，宇宙的几何形状是开放的。物质引力总会引起宇宙膨胀的减速。自20世纪20年代埃德温·哈勃发现宇宙膨胀之后，人们认识到宇宙每分每秒都在扩大，星系相互远离，星系团之间也渐行渐远，空无一物的星际空间变得越来越浩渺。哈勃的宇宙膨胀概念实际上等价于“宇宙学常数”，即：爱因斯坦在广义相对论方程中加入的一个常数项，用来表示空间本身具有的均匀能量密度，宇宙学常数相当于假设了“暗能量”密度是一个常数，不随时间和空间变化。由于天文学家在“后爱因斯坦时代”的天文观测中发现了宇宙的加速膨胀，正式提出暗能量的概念，将它视为加速宇宙膨胀的动力，因此，现代宇宙学的暗能量概念与爱因斯坦的宇宙学常数有很大的不同。

目前被广泛接受的宇宙学标准模型指出，宇宙处于暗物质和暗能量这两种互相对抗的神秘力量的支配中，两者的强弱决定了宇宙演化的命运。暗物质产生的引力效应会造成宇宙膨胀的减速，暗能量则相反，它的存在将加速宇宙的膨胀。在暗能量作用下，宇宙未来有几种命运走向：如果暗能量的密度随时间降低，宇宙的膨胀速率将出现下降，甚至会停滞；反过来，假如暗能量密度增长，那么它可能使宇宙尺度在有限的时间内膨胀到无限大，那时的物质不复存在，原子和分子，甚至亚原子粒子都将被撕裂，发生所谓的“大撕裂”。当宇宙膨胀得越来越大时，物质和能量均匀地分散在整个宇宙中，随着能量和物质分散得太过于遥远，新的恒星无法诞生，老的恒星死去后导致宇宙逐渐暗淡。宇宙沿熵增的方向一直演变下去，温度逐渐下降到绝对零度，熵达到最大值之后，宇宙将永远死去。由于暗能量在宇宙成分中约占73%，暗物质约占23％，可见物质仅仅占到4％，因此，科学家普遍相信暗能量决定了宇宙的未来，主导了宇宙的寿命，加速了宇宙的瓦解。但是，科学家只知道暗能量导致了宇宙的加速膨胀，对它的本质还是知之甚少。科学家对暗能量终结宇宙的时间说法不一，从167亿年、200亿年到1000亿年不等。

首先，天文学家对当今宇宙的膨胀率的测定有很大差异，这直接关系到暗能量作用力的大小。1998年，澳大利亚国立大学的布赖恩·施密特领导的天文小组通过测量遥远超新星的爆发，发现了宇宙的加速膨胀，同年，加利福尼亚大学伯克利分校的索尔·佩尔穆特带领的天文小组利用类似方法得到了相同的结果。2016年4月，约翰·霍普金斯大学的物理学家亚当·里斯带领的科学团队利用哈勃太空望远镜数百个小时的观测时间，对18个河外星系中两类超新星的“标准烛光”进行了详细观测，他们以大约2.4%的误差率测定了哈勃常数值，此前的测量误差率是3.3%。依据测量结果，他们发现据此计算的宇宙膨胀速度要比此前根据欧洲普朗克卫星计算得到的数值超出了8%左右。如果观测证实宇宙的膨胀比以前预料的更快，那么意味着暗能量比在宇宙诞生之初时更加强大，它正在驱动我们的宇宙以越来越快的速度发生膨胀。2016年10月，牛津大学物理学家苏比尔·萨尔卡尔教授率领的天文团队发现宇宙处于恒定的膨胀速度，并未在暗能量的作用下加速膨胀。他们采用哈勃太空望远镜和大型陆基望远镜进行观测。分析了740颗Ia类超新星，对大量的超新星数据库进行了严格和详细的统计分析，数据量是之前的10倍，得出了宇宙膨胀处于一个恒定速度，不需要更多暗能量进行加速的结论。显然，如果牛津大学天文团队在2016年测定的宇宙膨胀率是正确的话，那么澳大利亚国立大学和加州大学在1998年测定的数据就是错误的。科学家萨尔·波尔马特，布莱恩·施密特，亚当·里斯“三人小组”在2011年由于发现了宇宙的加速膨胀而获得诺贝尔物理学奖。

其次，物理学家对暗能量性质的理解有很大分歧，这直接关系到暗能量的性质。&160;如果暗能量是一种真空能，等同于宇宙学常数，那加速将永远持续下去，&160;大约在1万亿（10的12次方）&160;年之后，除了离银河系最近的周围星系（本星系群到那时将合并成一个大型的椭圆星系），其它所有星系都会以光速或超光速远离，我们再也无法观测到它们。宇宙大爆炸的远古余晖——宇宙微波背景辐射的波长会被拉扯到与整个可观测的宇宙尺度相当，变得难以察觉。我们可能恰好生活在一个非常幸运的窗口期，获得了观察宇宙的最佳时机。另一方面，&160;如果暗能量不是真空能，而是某种未知的场能，宇宙的结局则更加多样，存在多种不同的演化方式，对应着不同的宇宙命运，宇宙最终可能停止膨胀，转为收缩，在“大挤压”的超级黑洞中将肇始万物的大爆炸重新演绎。宇宙也可能进入“大撕裂”状态，从宏观的星系团到微观的原子和原子核，一切复杂的物质结构将会屈从于强大的暗能量，被暗能量撕扯得“七零八落”，&160;加速进入冷寂也是暗能量场可能的结局之一。如果暗能量是一种真空能，那么随着宇宙的膨胀，暗能量似乎从真空中“无中生有”地创造出来，填补宇宙膨胀后留下的真空，从而维持暗能量总体的密度不变；如果暗能量不是一种真空能，那么随着宇宙的膨胀，暗能量的密度随之稀释，物质和暗物质的引力反过来成为主宰宇宙的最强力量。

（邓如山2016-11-30邮箱：[email protected]）

（Theunknowndarkenergyanddarkmatterwilldecidethefateoftheuniverse)

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