再坍缩

永远膨胀的宇宙未来令人感到很厌烦。但是，我们并不能完全确定宇宙将永远膨胀。我们有确切的证据证明，只要有 1/10 的密度就能使宇宙产生再坍缩。但是，可能还会有其他我们仍没有探测到的，能将宇宙的平均密度提高到临界值或高于临界值的黑物质。其他黑物质的位置在星系和星系团外部。另外，我们还注意到其他黑物质对星系转动和星系在星系团中运动的影响。

为什么我们会认为将会有足够的黑物质，最终使宇宙产生再坍缩？为什么我们不相信我们已经有确切证据的物质？原因是膨胀速率的临界密度非常不稳定。早期临界密度的偏离随着宇宙的膨胀而不断加大。为了使现在的密度确定在临界值的 10 个因素其中的一个，膨胀速率必须非常认真地选择。

如果宇宙密度在大爆炸后一秒钟大于 1 万亿分之一，宇宙在 10 年后就会产生再坍缩。另外，如果在同样时间内宇宙的密度小于同样的量，那么宇宙从10 岁开始就基本上是空的。宇宙的初始密度需要多么认真的选择啊！也许宇宙精确地确定临界密度有某些原因？

似乎有两种可能的解释：一种是所谓的“人类原则”。这个原则可以解

释为“宇宙就是这个样子，因为如果不同的话，我们就不能对它进行观察了。”这种思想认为，可能有许多具有不同密度的宇宙。只有那些非常接近临界值的宇宙才能长期存在，才能容纳足够的物质构成恒星和行星。只有在这些宇宙中才会有智能存在，才会有这样的问题：“为什么密度如此接近临界密度？”如果这就是现在宇宙的密度的解释，那么我们就没有理由相信宇宙容纳了比我们已经探测出来的更多的物质。临界密度的 1/10 就具备了构成星系和恒星的足够物质。

但是，许多人并不喜欢人类原则，因为这种理论似乎过于强调我们人类存在的重要性。因此，人们开始寻找为什么密度如此接近临界值的其他解释。寻找导致了一种早期宇宙的膨胀理论。这种思想认为，宇宙的体积一直在呈成倍增长的趋势，很像在某些国家每几个月价格就成倍增长一样。但是，宇宙的膨胀则更快、更极端：在一秒中的很小一部分时间内就会发生至少上千亿倍的增长变化。

这种膨胀的量抹平了宇宙非常早的时期中存在的不规则性和非均匀性。这也同时导致了宇宙的膨胀速率十分接近其密度的临界值，使得膨胀速率和密度更接近临界关系。如果膨胀理论是正确的，宇宙就必定容纳能将密度提高到当今膨胀速率临界值的黑物质。但是，按照量子力学的测不准原理，宇宙中不可能任何地方都是完全一样的，其临界值也不可能完全一样。密度肯定会有小波动或不确定性，宇宙的膨胀速率在各个地方也都是不同的。这就意味着，宇宙可能最后出现再坍缩，但是这个过程不会超过 150 亿年或宇宙已经膨胀的时间。

如果膨胀理论是正确的，那么必定存在的其他黑物质是什么呢？它们似乎与普通物质是不同的，这些黑体构成行星和恒星。我们能够计算出大爆炸后第一个 3 分钟内宇宙早期热阶段所产生的各种轻化学元素的量。轻化学元素的量取决于宇宙中普通物质的量。我们可以画一个图，用垂直线显示轻元素的量，用水平轴线显示宇宙中普通物质的量。观测表明，如果普通物质的总量只有现在临界量的 1/10，那么，轻化学元素的丰度与计算的相符。这些计算也有可能是错误的，但是，我们所观察到的几种不同的元素的丰量却是令人感到可信的。

如果黑物质确实有临界密度，而这种物质却不是构成行星和星系的物质，那么它们是什么呢？这些主要的物质可能是宇宙早期阶段遗留下来的残留物。一种可能是基本粒子。在几种假想的物质中，我们认为粒子是有可能存在的，但是至今我们还没有探测到。而最有希望探测清楚的是我们已经获得确切证据的一种粒子，即中微子。尽管人们认为中微子本身没有质量，但是，最近的观察表明，事实上，中微子具有很小的质量。如果这点得到证实并发现其具有正值，那么，中微子就会为将宇宙带到临界值的密度提供质量。

另一种可能性就是黑洞。早期宇宙可能经历了一个被称为相转变的时

期。沸腾的和冰冻的水就是例子：在相转变过程中，最初为均匀的媒介物的水转变为冰块或气泡的不规则的物质。这些不规则的物质会坍缩，形成黑洞。正如我在前面所说的，由于量子力学的测不准原理的作用，如果这些黑洞非常小的话，现在它们已经散尽。但是如果它们的重量达到几十亿吨（一座山的质量），那么，它们今天会仍然存在，而且很难探测出来。

研究黑物质对宇宙膨胀的影响作用是我们能够探测均匀地分布在宇宙中的黑物质的唯一方法。人们可以通过测量星系远离我们而去的距离来确定宇宙减缓膨胀的速率。我们观察遥远过去的星系在离我们而去的旅途中留下的光与我们之间的距离。我们可以制作一个图表显示根据视亮度或光度与星系速度之间的关系，这是测量星系与我们之间的距离的方法。图表中不同的线与膨胀减缓的不同速率是一致的。直的或平扬的曲线与永远膨胀的宇宙的变化是一致的。向上弯曲的曲线表明将产生再坍缩的宇宙。当我们刚看到这个观察结果的时候，似乎显示了再坍缩。但是问题在于，星系的视亮度并不能非常明确地说明星系与我们的距离。星系固有的视亮度不仅有很大的变化，而且，还有证据显示，它们的亮度随着时间而发生变化。由于我们还不知道亮度变化的程度，因此我们还说不清楚减缓的速率：宇宙膨胀减缓的速率足以快到最后将产生再坍缩，或宇宙将永远膨胀下去。我们必须等待，直至我们找到更好的测量星系距离的方法。但是我们可以确信，减缓的速率并不很快，在以后的几十亿年内宇宙将出现再坍缩。这就给我们留下了足够的时间，使我们能够弄清一些直接的危机。