宇宙将如何终结？它会熄灭在冰冷的虚空中，随着膨胀而持续冷却，直到遍布其广阔空间的温度达到绝对零度吗？它会像它的组成部分以越来越快的速度相互吸引，直到它们 all 汇聚成一个巨大的火球而毁灭吗？或者，宇宙将永恒地存在，在无情的交替中膨胀和收缩？
这是人类能提出的终极问题，它带有令人震惊的神学和哲学意味。然而，令人难以置信的是，天文学家认为他们很快就会知道答案。
他们的信心源于他们在过去二十年中，通过结合观测和理论的进步，成功回答了一系列相关问题。宇宙起源于一次壮观的爆炸（“大爆炸”理论），还是它一直存在，不断地自我更新（稳恒态理论）？物质是如何聚集形成我们称为星系的巨大天体集合的？像类星体和黑洞这样的奇异天体的本质是什么？它们为解决终极谜题提供了什么证据？
对这些问题的答案的探索，勾勒出了一个与以往截然不同的宇宙图景。过去，宇宙学家——专门研究宇宙本质的天文学家——认为宇宙是恒定而宁静的，但现在他们看到它是一个充满活力、暴力，并被人类心智无法理解的巨大规模的爆炸所撕裂的宇宙。
今天，宇宙中充斥着奇异的、近乎令人难以置信的天体：被称为黑洞的宇宙吸尘器，它们如此致密，以至于连光束也无法逃脱；被称为类星体的微小能量信标，它们大小不过太阳系，却发出比数百万颗恒星更多的能量；以及如此庞大的星系，一位勇敢的太空旅行者需要数百万年才能穿越它们。这些天体令人惊叹，更令人惊叹的是，宇宙学家认为他们能够理解这些天体在宇宙生命中的作用。“在科学史上，很少有哪个时期我们的认知边界能如此戏剧性地扩展，”华盛顿卡内基学会的维拉·鲁宾宣称。
自1930年以来，宇宙学家们一直在争论宇宙的发展。那一年，一位名叫埃德温·哈勃的年轻天文学家发表了一篇惊人的论文。哈勃一直在研究星系的光谱——构成宇宙的巨大恒星群，其中大多数离地球极其遥远。
对恒星、星系和其他天体的光谱分析，会产生图表，显示天文学家好奇的对象发出的光的精确频率和其他辐射。科学家们以两种方式使用光谱。首先，他们可以获得关于特定恒星或星系内部化学成分的精确信息。同样重要的是，专家们可以使用这些数据来发现这些天体相对于地球的运动速度。
速度的测量依赖于多普勒效应，这是以1840年代发现它的奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒的名字命名的。当相对运动产生频率的视在变化时，就会发生这种效应。多普勒效应会影响来自恒星或星系朝向地球方向发出的光、无线电波和其他类型的辐射。如果一个星系正在接近地球，它的光看起来会比正常情况下更蓝。如果它正在远离，光在望远镜中看起来会比正常情况下更红。
当哈勃分析红移模式时，他发现了一件惊人的事情：所有的星系，无一例外，都显示出红移——这意味着它们正在远离我们。而且，距离越远，它们退去的速度越快。这个景象不可避免地指向一个正在膨胀的宇宙。今天的膨胀宇宙几乎成了一个陈词滥调，但它曾让之前的那些习惯于接受宇宙是静态的、不可移动的天文学家们感到震惊。
一切如何开始
半个多世纪以来，细致的研究已经让除少数特立独行的天文学家之外的所有人都确信，多普勒效应是理解宇宙本质的关键。但这些结果可以有两种不同的解释。争论在1948年相隔几个月内发表。其中，由英国的弗雷德·霍伊尔、托马斯·戈德和赫尔曼·邦迪提出的观点是，宇宙是无限的，没有开始也没有结束。他们认为，宇宙之所以膨胀，是因为物质在星系内部不断被创造出来。美国天文学家乔治·伽莫夫和拉尔夫·阿尔菲尔则持不同观点。他们认为，宇宙始于一次大爆炸——一次在创世之初爆炸的火球，以一种使宇宙至今仍在膨胀的力量将宇宙的 all 碎片向外抛射。由于涉及的巨大距离和时间——根据伽莫夫和阿尔菲尔的计算，大爆炸肯定发生在数十亿年前——很少有天文学家对在这两种理论之间做出选择抱有很高的希望。然后，在1965年，一项发现彻底改变了宇宙学。
这始于贝尔电话实验室的射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在新泽西州霍姆德尔的尴尬。他们无法消除他们计划用来研究恒星的射电天线发出的微弱嘶嘶声。两人清除了仪器中的几只嵌套的鸽子，彻底清洗了仪器，拆卸并重新组装了它，但都无济于事。微弱的干扰持续不断，无论他们将天线指向哪个方向，声音强度都完全相同。彭齐亚斯说：“这就像一个没有雪茄的房间里飘着的雪茄烟。”
随后，一次偶然的飞机上的邂逅将这两位天文学家引向了普林斯顿的理论家 P. J. E. Peebles，他一直在研究大爆炸理论。Peebles 推断，大爆炸产生的辐射不会就此消失。它将继续弥漫整个宇宙，强度减弱，但在大爆炸之后无数年后仍然可以被探测到。正是这种辐射，现在被称为宇宙微波背景辐射，被贝尔实验室看似不听话的天线探测到了。两年前，彭齐亚斯和威尔逊因他们的发现获得了诺贝尔物理学奖。为了庆祝，他们对 T.S. 艾略特的一句老话做了改编：“世界就此开始，不是在低语中，而是在爆炸声中。”
虽然大爆炸理论似乎战胜了稳恒态理论，但仍有许多未解之谜。例如，宇宙会永远膨胀和冷却，直到变得黑暗、荒凉和寒冷吗？或者，引力会使星系重新聚集，然后再次爆炸，形成一个类似于我们现在所处的周期的循环？一个永远膨胀的宇宙、一个收缩并以大爆炸的巨大逆转结束的宇宙，以及一个来回反弹的循环宇宙，这些前景似乎同样令人不快。当然，没有人需要担心哪种情况会发生；如果收缩发生，也要在一百亿年后才开始。但这个问题对天文学家至关重要，因为宇宙的命运与其本质息息相关。
空间的形状
在宇宙中，几何决定命运。宇宙学家认识到，宇宙可以存在于两种可能的形状之一。一种可以想象成一个正在充气的气球表面的三维等价物。这种表面没有可识别的边缘或中心，但它具有有限的尺寸。在一个“封闭”的宇宙中进行长途旅行的空间旅行者，在绕宇宙航行一圈后最终会回到家。而在另一种类型的“开放”宇宙中，他不会这样做。开放的宇宙形状更像一个向四面八方无限延伸的马鞍；旅行者永远不会回来，因为这样的宇宙是真正无限的。数学告诉宇宙学家，开放的宇宙将永远膨胀，而封闭的宇宙最终会收缩。因此，通过弄清宇宙的最终命运，专家们可以间接地确定它的形状。
有三种不同的方法可以判断宇宙是开放还是封闭。一种方法是测量其总质量。如果质量足够大，自然引力最终会将星系拉回。如果不够，膨胀将永远持续下去。第二种方法是间接的。通过测量年轻宇宙中产生了多少重氢（氘），天文学家期望计算出当时宇宙的密度——以及此后引力的强度。第三种方法需要测量膨胀减慢的速度，通过测量附近星系的速度并将它们与宇宙早期开始旅行的更遥远天体的速度进行比较。
第一种方法——测量宇宙的质量——乍一看似乎与赫拉克勒斯的某个劳作相似。这当然很复杂，但天文学家可以遵循一些规则来稍微简化这项任务。关键是引力。通过观察像星系和星系团这样巨大的天体通过引力相互作用的影响，天文学家可以估算它们的质量。对星系和星系团的测量表明，宇宙的质量不足以使其成为封闭的；它似乎只含有所需的三分之一。然而，最近的一项发现可能会极大地改变这一图景。
今年早些时候，加州大学欧文分校的一个物理学家团队的领导者弗雷德里克·赖纳斯博士宣布了一项关于被称为中微子的小亚原子粒子的惊人且仍有争议的发现。物理学家们普遍认为，这些理论上存在于1932年但直到1956年才被实际识别出的难以捉摸的粒子，没有质量。但欧文团队在南卡罗来纳州的一个核反应堆工作，却得出了不同的结论。他们宣布，中微子确实具有微小的质量。
如果他们的结论成立，它可能会平衡一个永远膨胀的宇宙和一个最终会收缩的宇宙。根据目前的原子理论，宇宙中每茶匙空间都含有约100个中微子。宇宙中所有中微子的质量可能会使总质量翻倍，甚至可能提供足够的引力导致最终收缩。如果发生这种情况，赖纳斯认为宇宙将在收缩和膨胀之间来回反弹。他在一次物理学会议上宣布他的研究结果时预言道：“没有开始，也不会有结束。”“其后果具有神学意义。”氘技术也产生了不确定的证据。但迄今为止对天空中该同位素含量的测量，结合当前的核理论，都明确指向一个开放的、无限的宇宙。宇宙学家警告说，他们的科学远非一门精确的科学，传统的观念很容易出错——而新的发现可能会彻底改变图景。“毫无疑问，我们宇宙中其他重要的组成部分至今仍未为我们所知，”维拉·鲁宾警告道。
宇宙的性质和命运的一个最重要线索出现在1960年。当时，哈雷天文台的艾伦·桑德奇在使用帕洛马山望远镜时，发现了一系列奇特的亮点。天文学家称它们为类星体——“类恒星天体”——但没有人知道它们是什么，直到三年后。桑德奇的同事马丁·施密特在查看一个类星体的光谱时，突然有了灵感。如果这个非凡的光谱来自一个红移如此强烈的天体，以至于该天体距离我们超过10亿光年，那么它就可以被解释。这一发现给了宇宙学家第一个迹象，表明他们可以回溯到宇宙极远的过去，并希望在那里看到一些东西。“类星体让我着迷，”施密特说。“令人惊奇的是，宇宙能够跨越如此遥远的距离让我们认识它。”
多年来，桑德奇——一位如此隐居的宇宙学家，他最近甚至让办公室的电话被拆了——一直在进行仔细的测量，试图弄清楚地球附近星系（因此看到的是它们相对较近的过去）和类星体（如此遥远，以至于看到的是它们接近宇宙开端时的情况）的不同速度是否暗示了宇宙的最终命运。到目前为止，桑德奇的计算，基于相对较近的星系，得出的数字表明引力永远无法完全赶上宇宙从大爆炸获得的向外膨胀的力，膨胀将永远持续下去——换句话说，一个开放的宇宙。
桑德奇的保守观点最近受到了一系列实验者的挑战，他们认为数据更明显地指向一个开放的宇宙。德克萨斯大学的研究人员以及德克萨斯大学、基特峰国家天文台和哈佛-史密森尼天体物理中心联合团队研究了一些遥远的星系，并得出结论，桑德奇的测量结果并非宇宙的典型。原因是：我们自己的星系正以极快的速度被拉向一个超星系的中心，它相对于天空其他部分的运动使得我们银河系附近的 all 测量结果都不可靠。这场争论既影响了过去，也影响了未来。桑德奇的数据表明大爆炸发生在约200亿年前。但如果新的测量结果是正确的，宇宙只有100亿年的历史。
正如科学界经常发生的那样，一个领域的进步会带来另一个领域的问题。近二十年前类星体巨大距离的发现，给天文学家留下了一个令人尴尬的问题，而答案可能才刚刚出现。
问题在于，大多数星系的光源不够强大，无法在超过数亿光年的距离上被探测到。类星体距离要远得多。因此，它们必须拥有比产生星光更强大的能量源。这些能量源也必须极其紧凑。对数百个类星体进行的细致观测表明，这些神秘的天体看起来不比我们的太阳系大。直到最近，物理学家们都无法解释——甚至理论上——如此巨大的能量是如何在如此有限的空间内产生的。
但现在，理论家们有一个强有力的候选者：黑洞。许多人现在相信，每个类星体深处都潜伏着一个黑洞，为这些天体提供了强大的能量。在某种程度上，黑洞与类星体一样神秘。它们似乎不遵循物理学的常规定律；例如，它们本质上是不可见的。然而，大多数天文学家都接受它们的存在，尽管还没有人找到完全令人信服的证据。“黑洞竟然如此怪异却又可能是真实的，这真令人着迷，”加州理工学院的黑洞专家 Kip Thorne 说。
氢屈服于引力
正如理论家们最初提出的那样，黑洞代表了一个质量约为我们太阳三倍的大质量恒星的死亡痉挛。恒星通常通过核聚变获取能量，即氢的原子核转化为氦的原子核（聚变是氢弹的能量来源）。大多数恒星中的氢可以持续数十亿年，但最终会耗尽。这时，引力就会起作用。巨大的恒星开始在其自身引力的作用下压缩，变得越来越致密，越来越小。最终，这颗恒星可能只剩下像曼哈顿岛那么大，但密度却是铅的数十亿倍。它实际上变成了一个具有巨大引力的球体。它的引力如此强大，以至于附近的任何尘埃、气体甚至辐射都无法避免被吸入黑洞。其引力足够强大，可以阻止任何东西（包括光）离开黑洞。换句话说，理论上和物理上都无法看到黑洞。唯一的方法是足够接近，以至于被黑洞吞噬，在有机会写下它看起来的样子之前就消失在其核心中。
如果科学家们拒绝这样一项任务，他们就不算真正的科学家了。天文学家承认他们无法直接看到黑洞，但他们认为可以通过间接证据来发现它们。原则是观察被黑洞吞噬的物质。根据理论，这些物质在消失时应该会发出特定类型的 X 射线。如果天文学家能够探测到这些 X 射线，他们就可以相当有信心地说他们已经探测到了一个黑洞。
虽然还没有人确切声称实现了这一点，但使用 X 射线望远镜的天文学家已经发现了四处 X 射线辐射区域的相当确凿的证据，这些区域似乎表明存在黑洞。其中最有希望的是位于天鹅座的一个区域，它在1967年首次被哈佛-史密森尼天体物理中心的 X 射线天文学家 Riccardo Giacconi 识别为黑洞候选者。对 X 射线的更精确测量最终应该能证明这个被称为天鹅座 X-1 的源是否真的代表一个黑洞。
类星体专家当然希望证明能尽快到来。专家们认为，通过更多地了解黑洞，他们将能够更多地了解类星体的奥秘。现在看来，对黑洞的更好理解也可能带来另一个困扰天文学家令人费解的问题的答案。当大爆炸发生时，假定存在一种高温下平滑均匀的物质和辐射混合物。它是如何变成我们今天看到的由行星、恒星和星系组成的这种“崎岖”聚集体的呢？研究这个问题的天体物理学家利用彭齐亚斯和威尔逊探测到的背景辐射，对宇宙最初几秒钟的状况做出了一些惊人的发现。事实上，对不同波长下的微波背景进行细致研究，为宇宙学家提供了大量关于创世初期事件的信息。
首先，他们已经确定，大爆炸与常规爆炸非常不同，后者将物质从一个中心向外发送。宇宙开始的事件发生在 all 地方，同时发生——一个强大的、均匀的火球，导致宇宙中的一切以完全相同的速度向 all 方向膨胀。正是由于这场大火的巨大威力，宇宙至今仍在膨胀。但随着宇宙的膨胀，它也冷却下来，最初是快速冷却，然后逐渐减慢。
物理学家们甚至无法想象大爆炸后最初几百万分之一秒的条件。宇宙如此致密和炽热，以至于目前的理论无法应对。然而，令人惊讶的是，既定的理论和精确的观测相结合，使得专家们能够相当自信地绘制出宇宙的后续历史。
在大爆炸后约十分之一秒，宇宙的密度约为水的四十亿倍，温度已降至约一千亿摄氏度。按大多数标准来看，这已经很热了——远比恒星内部热，也太热了，普通的原子和分子无法生存——但它仍然足够凉爽，理论物理学家可以理解。在粒子加速器实验的指导下，宇宙学家推测，仍在膨胀的宇宙由辐射——如光——和物质的基本粒子组成，特别是电子、中微子和正电子，它们与电子相同，只是带有正电荷。此外，一些构成原子核基本构件的质子和中子已经开始在宇宙的“粘稠物”中出现。
大约三分钟后，宇宙变得更舒适一些。它已冷却到十亿度，足以让一些质子和中子结合形成氢和氦的原子核。事实上，大爆炸后三分钟建立的这两种元素的比例——73% 的氢和 27% 的氦——预示了宇宙所有时代的原子构成。
物质和辐射继续相互混合了数十万年。在此期间，宇宙冷却到约3000度，这个温度使得氢和氦的原子核可以捕获电子并形成常规原子。随着自由电子的消失，物质和辐射彼此分离。辐射变成了微波背景，而氢和氦原子则提供了恒星和星系的原材料。
寻找中心
这些均质的混合物是如何形成崎岖的星系的？大多数理论都依赖于某种小核，它吸引了大量的氢和氦，就像玻璃杯中冷却到冰点的尘埃颗粒一样，是冰形成的核。斯蒂芬·霍金这位年轻的天体物理学家的一项工作，出现了一个引人注目的候选者。霍金的职业生涯几乎和他研究的课题一样引人入胜。他才38岁，患有肌萎缩侧索硬化症（俗称卢伽雷氏症）。他坐着轮椅，无法写作，只能含糊不清地说话，需要别人帮助才能进食。但霍金能做到的，可能比爱因斯坦之后的 any one 人都好，那就是思考。他会在脑海中构思一连串复杂的数学方程，然后非常缓慢地口述给一位经过专门训练的助手。
自1971年以来，霍金的思考一直集中在黑洞上。特别是他追究了这样一个观点：在宇宙早期，形成了许多微型黑洞，其大小不超过亚原子粒子的直径。也许，这些就是星系聚集的中心。
有没有方法可以检验这个革命性的理论？也许有。随着霍金深入研究，他得出了一个惊人的结果：黑洞并非完全是黑的；它们实际上会“泄漏”一点。霍金承认，当时他对这个发现“相当恼火”。这似乎是不可能的。但他在脑海中的进一步计算让他确信自己是正确的。他解释说，发生的事情是，黑洞附近的巨大能量可以自发地从虚空中产生粒子对。霍金计算，其中一个粒子很可能掉入黑洞，但另一个可能会飞走，给人一种它逃离了黑洞本身的错觉。最终，整个黑洞的质量可能会以这种方式逐渐消失，并以一次壮观的爆炸结束。霍金计算，最小的黑洞甚至可能在此时此刻爆炸。
星系的演化及其在宇宙设计中的地位，还带来了其他谜题。为什么所有已知的类星体都位于遥不可及的距离——因此位于宇宙历史的深处？许多天文学家现在怀疑类星体实际上是正在形成的星系。也许它们在宇宙的早期阶段曾一度占据主导地位，然后大部分消失了。如果类星体在被创造后不久就变成了常规星系，就可以解释它们的消失。到目前为止，这个图景还只是一个猜测，但对更遥远星系的新观测可能会解决它。
新设备可能是突破
观测数据不断积累，理论层出不穷，一些谜团甚至略有进展。但关于宇宙命运的基本问题仍未决定，证据令人困惑。“最令人惊奇的事情之一是，宇宙竟然如此接近坍缩和膨胀的分界线，”斯蒂芬·霍金说。但新仪器有望解决这场争论。“我们正处于获得确凿答案的边缘，而这些仪器将把我们推向那里，”加州理工学院的杰罗姆·克里斯蒂安预测。
克里斯蒂安提到的包括微小的计算机控制芯片，称为电荷耦合器件（CCD），天文学家们现在正将其安装到望远镜上。它们可以以前所未有的精度检测到光斑。另一种方法是从大气层外进行观测。一台直径96英寸的望远镜将于1984年搭载航天飞机发射升空，届时将进行精确观测。
在过去十年中，天文学家利用了另一种强大的方法来识别恒星和星系。利用高空气球、火箭和无人轨道卫星，专家们在天空中搜寻由外太空许多天体发出的 X 射线。打开本文的图片是“爱因斯坦”轨道天文台 HEAO-2（《大众科学》，2月刊）拍摄的超新星（爆炸的恒星）残骸的 X 射线图像。这些 X 射线观测为理解这些天体内部复杂的进程提供了新信息，从而帮助天文学家推断出关于它们历史和最终命运的新事实。
尽管基本问题仍未解决，但现有证据——其力度有待商榷——都指向一个开放的宇宙。然而，一些天文学家出于哲学原因，仍然不相信宇宙是开放的。他们以他们称之为“人择原理”的形式表达了他们的疑虑。它简单地说，我们能够观测到的宇宙是一种允许人类生命被创造和生存的宇宙。如果宇宙是开放的，那么它可能是唯一曾经存在过的宇宙。考虑到一个对人类友好的宇宙出现的几率很低，我们的存在至少与在轮盘赌中连续赢10次或更多次一样非凡。另一方面，如果宇宙是封闭的，它也许可以在不同宇宙的循环中来回反弹。如果是这样，我们所居住的宇宙将只是众多宇宙中的一个。
这种哲学思考并不吸引许多天文学家。他们更愿意利用仪器获取新知识，以决定我们的宇宙是开放还是封闭——并将带来关于创世的大量其他问题。“尽管媒体有报道，但我们当然不了解宇宙学，”马萨诸塞理工学院的菲利普·莫里森说。尽管如此，宇宙学家们能够认真尝试解决宇宙命运问题的事实，证明了他们近年来取得的进步，以及未来取得新成就的光明前景。
本文最初发表于1980年12月的《大众科学》杂志。
