一百年前，一篇關於宇宙歷史和大規模結構的《大眾科學》文章幾乎完全是錯誤的。1908年，科學家們認為我們的星系構成了整個宇宙。他們認為它是一個“島嶼宇宙”，一個被無限虛空包圍的孤立星團。我們現在知道，我們的星系是可觀測宇宙中超過4000億個星系之一。1908年，科學界的共識是宇宙是靜態和永恆的。宇宙起源於熾熱大爆炸的想法甚至連影子都沒有。大爆炸最初幾分鐘和恆星核心內部的元素合成也不為人所知。空間膨脹及其對物質的可能曲率也未曾有人夢想過。認識到整個空間都沐浴在輻射中，提供了創世冷卻餘輝的幽靈般的影像，這將不得不等待現代技術的發展，這些技術的設計目的不是探索永恆，而是讓人類可以打電話回家。
很難想到在過去一個世紀中，有哪個智力探索領域比宇宙學變化更大，這種轉變改變了我們看待世界的方式。但是，未來的科學是否必須總是反映比過去更多的經驗知識？我們最近的工作表明，從宇宙的時間尺度來看，答案是否定的。我們可能正生活在宇宙歷史上唯一一個科學家能夠準確理解宇宙真實本質的時代。
大約十年前的一項引人注目的發現激發了我們的研究。兩個不同的天文學家小組追蹤了過去五十億年宇宙的膨脹，發現宇宙似乎正在加速膨脹。這種宇宙反引力的來源被認為是與空空間相關的某種新形式的“暗能量”。一些理論家，包括我們中的一位（克勞斯），實際上已經根據間接測量預料到了這一新結果，但在物理學中，直接觀測才是最重要的。宇宙的加速膨脹意味著空空間包含的能量幾乎是今天我們觀測到的所有宇宙結構（星系、星系團和超星系團）的三倍。具有諷刺意味的是，阿爾伯特·愛因斯坦最初假設了這樣一種能量形式來保持宇宙靜態。他稱之為宇宙常數[參見勞倫斯·M·克勞斯的“宇宙反引力”；《大眾科學》，1999年1月]。
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暗能量將對宇宙的未來產生巨大影響。克勞斯與凱斯西儲大學的宇宙學家格倫·斯塔克曼一起探討了宇宙常數對宇宙中生命命運的影響。預後：不佳。這樣的宇宙會變成一個非常不適宜居住的地方。宇宙常數產生了一個固定的“事件視界”，這是一個假想的表面，超出這個表面，任何物質或輻射都無法到達我們。宇宙開始類似於一個內外顛倒的黑洞，物質和輻射被困在視界之外，而不是內部。這一發現意味著可觀測宇宙只包含有限的資訊量，因此資訊處理（和生命）無法永遠持續下去[參見勞倫斯·M·克勞斯和格倫·D·斯塔克曼的“宇宙中生命的命運”；《大眾科學》，1999年11月]。
早在資訊限制成為問題之前，宇宙中所有膨脹的物質都將被驅動到事件視界之外。哈佛大學的亞伯拉罕·勒布和長峰健太郎（當時都在哈佛大學）研究了這一過程，他們發現我們所謂的本星系群（銀河系、仙女座星系和一群環繞的矮星系）將坍縮成一個巨大的恆星超星系團。所有其他星系都將消失在事件視界之外的遺忘之中。這個過程大約需要1000億年，這看起來很長，但與永恆的荒野相比，還是相當短暫的。
坍塌的支柱
遙遠未來的天文學家，生活在這個超星系團中，將如何總結宇宙的歷史？要思考這個問題，回顧一下我們目前對大爆炸理解所依據的支柱。
第一個是愛因斯坦的廣義相對論。在近300年的時間裡，牛頓的萬有引力理論一直是幾乎所有天文學的基礎。牛頓的理論在預測從地球到銀河系尺度上的物體運動方面做得非常出色，但它完全無法處理無限大的物質集合。廣義相對論克服了這一侷限性。在愛因斯坦於1916年發表該理論後不久，荷蘭物理學家威廉·德西特為一個簡化的宇宙解決了廣義相對論方程，該宇宙包含了愛因斯坦的宇宙常數。德西特的工作似乎重現了當時流行的宇宙觀：一個嵌入在廣闊空曠、靜態虛空中的島嶼星系。
宇宙學家很快意識到這種靜態是一種誤解。事實上，德西特宇宙是永恆膨脹的。正如比利時物理學家喬治·勒梅特後來明確指出的那樣，愛因斯坦的方程預測，無限、均勻、靜態的宇宙是不可能的。宇宙必須膨脹或收縮。從這個認識出發，大爆炸理論，正如後來所稱的那樣，誕生了。
下一個支柱出現在20世紀20年代，當時天文學家探測到宇宙的膨脹。第一個為膨脹提供觀測證據的人是美國天文學家維斯托·斯萊弗，他使用恆星光譜來測量附近星系的速度。來自朝地球移動的恆星的光波被壓縮，縮短了波長，使光線變藍。來自遠離我們的物體的光波被拉伸，使波長更長，光線變紅。透過測量來自遙遠星系的光波的拉伸或壓縮，斯萊弗能夠確定它們是朝我們移動還是遠離我們，以及速度是多少。（當時，天文學家甚至不確定我們稱之為“星系”的模糊光斑實際上是獨立的恆星集合，還是僅僅是我們自己星系內部的氣體雲。）斯萊弗發現幾乎所有這些星系都在遠離我們。我們似乎正坐在失控膨脹的中心。
通常被認為發現宇宙膨脹的人不是斯萊弗，而是美國天文學家埃德溫·哈勃。（你上次讀到關於斯萊弗太空望遠鏡是什麼時候？）哈勃不僅確定了附近星系的速度，還確定了它們的距離。他的測量得出了兩個結論，證明了他的名聲是當之無愧的。首先，哈勃表明，星系非常遙遠，以至於它們確實是獨立的恆星集合，就像我們自己的星系一樣。其次，他發現了星系距離和速度之間的簡單關係。速度與到我們的距離成正比：一個星系比另一個星系遠兩倍，移動速度也快兩倍。距離和速度之間的這種關係正是宇宙膨脹時發生的情況。哈勃的測量結果此後得到了改進，最近一次是透過對遙遠超新星的觀測，從而發現了暗能量。
第三個支柱是宇宙微波背景的微弱光芒，這是貝爾實驗室物理學家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在追蹤無線電干擾源時偶然發現的。這種輻射很快被認為是宇宙早期膨脹階段遺留下來的遺蹟。它表明宇宙開始時是高溫高密的，此後逐漸冷卻和稀疏。
大爆炸的最後一個觀測支柱是，高溫高密的早期宇宙是核聚變的理想場所。當宇宙的溫度為十億到一百億開爾文時，較輕的原子核可以聚變成較重的原子核，這一過程被稱為大爆炸核合成。這個過程只能持續幾分鐘，因為宇宙膨脹和冷卻，所以聚變僅限於最輕的元素。宇宙中大部分氦是在那時產生的，氘或重氫也是如此。氦和氘的測量丰度與大爆炸核合成的預測相符，為該理論提供了進一步的證據，並準確估計了宇宙中質子和中子的丰度。
黑暗的天空
未來的科學家在1000億年後仰望天空時會看到什麼？如果沒有望遠鏡，他們將看到與我們今天看到的幾乎相同的東西：我們星系的恆星。最大和最亮的恆星將燃盡它們的核燃料，但許多較小的恆星仍將照亮夜空。當這些未來的科學家建造能夠探測我們星系之外的星系的望遠鏡時，將會發生巨大的變化。他們將看不到任何星系！附近的星系將與銀河系合併形成一個巨大的星系，並且幾乎所有其他星系都將早已消失，逃逸到事件視界之外。
遙遠星系的消失不是立即的，而是漸進的。當這些星系接近視界時，它們的紅移變得無限大。克勞斯和斯塔克曼計算出，到1000億年後，所有星系的紅移都將超過5000，到10萬億年後將上升到難以想象的1053——屆時，即使是最高能量的宇宙射線也會發生如此大的紅移，以至於它們的波長將大於視界尺寸。屆時，這些物體將對我們來說真正且完全不可見。
結果，哈勃關於宇宙膨脹的關鍵發現將變得不可重現。宇宙中所有膨脹的物質都將在視覺上消失在視界之外，剩下的所有物質都將是一個引力束縛的恆星團的一部分。對於這些未來的天文學家來說，可觀測宇宙將非常類似於1908年的“島嶼宇宙”：一個巨大的恆星集合，靜態且永恆，被空空間包圍。
我們自己的經驗表明，即使我們有資料，正確的宇宙學模型也不是那麼明顯。例如，從20世紀40年代到60年代中期，在觀測宇宙學的殿堂僅建立在哈勃發現宇宙膨脹的基礎上時，一些天體物理學家復活了永恆宇宙的思想：穩態宇宙，其中物質隨著宇宙膨脹而產生，因此宇宙作為一個整體並沒有真正隨時間變化。這個想法被證明是一個智力上的死衚衕，但它確實證明了在缺乏足夠的觀測資料的情況下可能產生的錯誤概念。
未來的天文學家還可能在哪裡尋找大爆炸的證據？宇宙微波背景會讓他們探測宇宙的動力學嗎？唉，不會。隨著宇宙膨脹，背景輻射的波長拉伸，輻射變得更加擴散。當宇宙達到1000億年時，微波輻射的峰值波長將達到米級，對應於無線電波而不是微波。輻射強度將被稀釋一萬億倍，並且可能永遠不會被看到。
在更遠的未來，宇宙背景將變得真正無法觀測。我們星系中恆星之間的空間充滿了電子的電離氣體。低頻無線電波無法穿透這種氣體；它們被吸收或反射。類似的效果是，調幅廣播電臺在夜間可以在遠離其原籍城市的地方接收到；無線電波從電離層反射下來，回到地面。星際介質可以被認為是一個巨大的電離層，充滿了星系。任何頻率低於約一千赫茲（波長大於300公里）的無線電波都無法穿透我們的星系。低於一千赫茲的射電天文學在我們星系內部永遠不可能實現。當宇宙的年齡約為現在的25倍時，微波背景將被拉伸到超出此波長，並且對星系的居民來說變得無法探測。甚至在那之前，這種背景輻射中的微妙模式，這些模式為今天的宇宙學家提供瞭如此多的有用資訊，也將變得過於微弱而無法研究。
燃盡
對化學元素丰度的觀測是否會讓遙遠未來的宇宙學家瞭解大爆炸？再次，答案很可能是否定的。問題在於，我們探測大爆炸核合成的能力取決於氘和氦的丰度自140億年前產生以來沒有發生太大變化的事實。例如，早期宇宙中產生的氦佔物質總量的約24%。儘管恆星在聚變反應過程中產生氦，但它們將這種丰度增加的幅度不超過幾個百分點。密歇根大學安娜堡分校的天文學家弗雷德·亞當斯和格雷戈裡·勞克林認為，經過許多代恆星之後，這個比例可能會增加到高達60%。遙遠未來的觀察者會發現原始氦被後來幾代恆星產生的氦淹沒。
目前，對大爆炸核合成最清晰的探測是氘的丰度。我們對原始氘丰度的最佳測量來自對類星體背光下的氫雲的觀測，類星體是被認為由黑洞驅動的極其遙遠和明亮的信標。然而，在宇宙的遙遠未來，這些氫雲和類星體都將越過事件視界，永遠消失在視野中。只有銀河系氘可能是可觀測的。但是恆星會破壞氘，幾乎沒有氘能存活下來。即使未來的天文學家觀測到氘，他們也可能不會將其歸因於大爆炸。涉及高能宇宙射線的核反應（今天已被研究為至少是某些觀測到的氘的可能來源）可能看起來更合理。
儘管輕元素的觀測丰度不會為熾熱的大爆炸提供任何直接證據，但它仍然會使未來宇宙學的一個方面與一個世紀前的虛幻宇宙學不同。發展核物理學理解的天文學家和物理學家將正確地得出結論，恆星燃燒核燃料。如果他們隨後（錯誤地）得出結論，他們觀察到的所有氦都是在早期幾代恆星中產生的，他們將能夠對宇宙的年齡設定上限。因此，這些科學家將正確地推斷出他們的銀河系宇宙不是永恆的，而是有一個有限的年齡。然而，他們觀察到的物質的起源仍然籠罩在神秘之中。
我們以本文開頭提出的觀點，即愛因斯坦的相對論預測了一個膨脹的宇宙，因此預測了大爆炸，又如何呢？遙遠未來的宇宙居民應該能夠從他們自己太陽系中引力的精確測量中發現廣義相對論。然而，使用這個理論來推斷大爆炸，取決於關於宇宙大尺度結構的觀測。只有當宇宙是均勻的時，愛因斯坦的理論才預測宇宙會膨脹。我們的後代調查的宇宙將絕不是均勻的。它將由一個嵌入在廣闊空虛中的恆星島嶼組成。事實上，它將類似於德西特的島嶼宇宙。可觀測宇宙的最終未來是坍縮成黑洞，這正是我們的星系在遙遠未來將實際發生的情況。
孤獨的虛空 難道我們的後代就完全無法感知到膨脹的宇宙了嗎？至少根據我們目前對廣義相對論的理解，加速的一個明顯的效應確實會保留在我們的觀測視界內。正如黑洞的事件視界會發出輻射一樣，我們的宇宙學事件視界也會發出輻射。然而，與這種輻射相關的溫度小得無法測量，約為10-30開爾文。即使天文學家能夠探測到它，他們也可能會將其歸因於其他更大的區域性噪聲源。
雄心勃勃的未來觀測者也可能發射探測器，使其逃逸出超星系，並可以作為探測可能的宇宙膨脹的參考點。他們是否會想到這樣做似乎不太可能，但無論如何，探測器至少需要數十億年的時間才能到達膨脹明顯影響其速度的點，並且探測器需要相當於恆星的能量輸出來從如此遙遠的距離與建造者進行通訊。如果以我們自己的經驗為指導，未來的科學資助機構不太可能支援這種大海撈針式的嘗試。
因此，未來的觀測者可能會預測宇宙最終以區域性的“大擠壓”結束，而不是宇宙常數產生的永恆膨脹。他們有限的宇宙將以一聲巨響而不是嗚咽聲結束。
我們被不可避免地導向一個非常奇怪的結論。智慧觀察者可以推斷出我們膨脹宇宙的真實本質的視窗可能非常短暫。一些文明可能會保留深刻的歷史檔案，而這篇文章很可能會出現在其中——如果它能在數十億年的戰爭、超新星、黑洞和無數其他危險中倖存下來。他們是否會相信是另一個問題。缺乏此類檔案的文明可能註定永遠對大爆炸一無所知。
為什麼現在的宇宙如此特別？許多研究人員試圖論證，生命的存在提供了一種選擇效應，可以解釋與當前時間相關的巧合[參見喬治·蓋爾的“人擇原理”；《大眾科學》，1981年12月]。我們從我們的工作中吸取了不同的教訓。
首先，這很可能不是第一次由於加速膨脹而導致有關宇宙的資訊丟失。如果在極早期宇宙中發生過暴脹時期，那麼這個時代的快速膨脹將幾乎所有先前存在的物質和能量的細節都從我們現在的可觀測宇宙中驅逐出去。事實上，暴脹模型的最初動機之一就是為了擺脫宇宙中討厭的宇宙學物體，例如磁單極子，這些物體可能曾經大量存在。
更重要的是，儘管我們確實很幸運地生活在一個大爆炸的觀測支柱都可以探測到的時代，但我們可以很容易地設想，宇宙的其他基本方面在今天是無法觀測到的。我們已經失去了什麼？與其沾沾自喜，不如感到謙卑。也許有一天我們會發現，我們目前對宇宙的仔細而看似完整的理解是嚴重不足的。