這篇演講，從古代巫師的預言，到現代的宗教預言，再到對宇宙未來的討論，主要討論了宇宙未來的兩種命運:壹是繼續膨脹，二是收縮甚至坍縮成壹個點。膨脹或收縮取決於宇宙的平均密度。用天體物理學的理論對宇宙的未來做出科學診斷，這就是科學家和巫師的區別。
這次演講的主題是宇宙的未來，或者更確切地說，科學家們認為未來會是什麽樣子。預測未來當然是非常困難的。我曾經有壹個想法，想寫壹本名為《昨天的明天:未來的歷史》的書。這將是壹部關於未來的預測史，幾乎所有的預測都是錯誤的。但是盡管有這些失敗，科學家們仍然認為他們可以預測未來。
在很早的時候，預言未來是先知或女巫的職責。這些通常是被從火山縫隙中溢出的毒氣或氣體催眠的婦女。周圍的牧師翻譯了他們的咒語。真正的技巧是解釋。古希臘著名的德羅非巫師因模棱兩可而臭名昭著。當這些斯巴達人問波斯人進攻希臘會發生什麽時，巫師回答:要麽斯巴達被消滅，要麽它的國王被殺死。我認為這些牧師們認為，如果這壹切最終都沒有發生，斯巴達會非常感激阿波羅太陽神，以至於忽略了他的巫師做出了錯誤預測的事實。事實上，這位國王是在壹次拯救斯巴達的行動中陣亡的，最終通過保衛特迪皮拉山口打敗了波斯人。
還有壹次，利迪亞的國王迪克·羅西烏斯，世界上最富有的人，曾經問過如果他入侵波斯會發生什麽。答案是:壹個偉大的王國將會崩潰。克羅西烏斯以為這裏指的是波斯帝國，但他不知道，要倒下的是自己的王國，自己的下場就是被活活燒死在柴堆上。
現代末日預言家為了避免尷尬，不會給世界末日定壹個日期。這些日期導致股票市場暴跌。雖然讓我很困惑，但為什麽世界末日會讓人願意用股票換錢，假設妳在世界末日什麽都帶不走？
到目前為止，所有設定的世界末日的日期都已經無聲無息地過去了。但是這些先知經常為他們明顯的失敗找借口。例如，第七日回歸的創始人威廉·米勒預言，耶穌的第二次降臨將發生在1843年3月21和1844年3月21之間。在這種情況沒有發生之後，日期被修改為1844 10 10月22日。當這個日期過去了，什麽也沒有發生，壹個新的解釋被提出。都說1844是第二次回歸的開始，但是首先要統計壹下被救者的名字。只有名單清點完畢，審判日才會降臨到不在名單上的人身上。幸運的是，數名字似乎需要很長時間。
當然，科學預測未必比巫師或先知的預測更可靠。人們只需要考慮天氣預報。但是在某些情況下，我們認為我們可以做出可靠的預測。宇宙在非常大的尺度上的未來就是壹個例子。
在過去的300年裏，我們發現了在所有正常條件下支配物體的科學規律。我們仍然不知道在極端條件下支配物體的確切規律。那些定律對於理解宇宙是如何開始的很重要，但它們不會影響宇宙未來的演化，除非宇宙坍縮到高密度狀態。事實上，我們不得不花很多錢建造壹個巨型粒子加速器來測試這些高能定律，這表明它們對現在的宇宙的影響是多麽微不足道。
即使我們知道宇宙的規律，我們仍然不能用它們來預測遙遠的未來。這是因為物理方程的解會呈現出壹種叫做混沌的性質。這說明方程可能是不穩定的:如果系統在某個時刻發生了非常微小的變化，那麽系統未來的行為很快就會變得完全不同。舉個例子，妳稍微改變壹下妳旋轉輪盤的方式，妳就會改變數字，這是妳實際上無法預測的，否則物理學家就會在賭場裏大賺壹筆。
在不穩定或混沌系統中，壹般存在壹個時間尺度，在這個時間尺度內，初始狀態的微小變化會加倍。在地球大氣層的情況下，這個時間尺度大約為五天，這大約是空氣環繞地球壹周的時間。人們可以在五天內做出相當準確的天氣預報，但要做出更長期的天氣預報，既需要對當前大氣狀況的準確了解，也需要難以逾越的復雜計算。除了季度平均值，我們無法做出六個月後的具體天氣預報。
我們也知道支配化學和生物學的基本定律，所以原則上，我們應該能夠確定大腦是如何工作的。但是控制大腦的方程幾乎肯定有混沌行為，初始狀態非常小的變化都會導致非常不同的結果。這樣，雖然我們知道了約束人類行為的方程，但在實踐中卻無法預測。科學無法預測人類社會的未來，甚至無法預測它是否有未來。危險在於，我們破壞或摧毀環境的能力增長速度遠遠快於運用這種能力的智慧。
宇宙的其余部分不關心地球上發生的任何事情。看起來行星繞太陽運行的運動最終會變得混沌，雖然它的時間尺度很長。這說明隨著時間的推移，任何預測的誤差都會越來越大。過了壹段時間，就不可能預測運動的細節了。我們可以相當肯定，地球在很長壹段時間內不會與金星相撞。但是，我們不確定十幾億年後，軌道上的小擾動是否會累積並導致這次碰撞。太陽和其他恒星圍繞銀河系的運動，以及銀河系圍繞其所在星系團的運動也是混沌的。我們觀察到其他星系正在遠離我們，它們離我們越遠，離開得越快。這意味著我們周圍的宇宙正在膨脹:不同星系之間的距離隨著時間的推移而增加。
我們觀測到的來自外太空的微波輻射背景給出了證據，證明這種膨脹是平穩的，而不是混沌的。妳可以通過將電視調到壹個空的頻道來觀察這種輻射。妳在屏幕上看到的壹小部分斑點是太陽系外的微波造成的。這是微波爐發出的同類輻射，但要弱得多。它只能把食物加熱到2.7度的絕對溫度，所以不能用來溫妳的外賣披薩。人們認為這種輻射是早期熱宇宙的殘余。但給人印象最深的是，任何方向的輻射量都差不多。宇宙背景探測衛星已經非常精確地測量了這種輻射。根據這些觀測繪制的天空圖可以顯示不同的輻射溫度。這些溫度在不同方向是不壹樣的，但是差別很小，只有十萬分之壹。因為宇宙不是完全光滑的，存在恒星、星系、星系團等局部不規則性，所以不同方向的微波必然有些不同。但為了配合我們觀測到的局域隨機性，微波背景的變化不能再小了。微波背景在各個方向都可以等於65438+99999。
在古代，人們認為地球是宇宙的中心。背景在任何方向都壹樣的事實，對他們來說並不奇怪。然而，從哥白尼時代開始，我們已經退化為壹顆行星，圍繞著壹顆非常普通的恒星旋轉，而這顆恒星又圍繞著我們所能看到的1000億個星系中的壹個典型星系的外緣旋轉。我們現在太謙虛了，不能在宇宙中宣稱任何特殊的地位。所以我們必須假設，在任何其他星系周圍的任何方向上，背景都是壹樣的。這只有在宇宙的平均密度和膨脹速率處處相同的情況下才有可能。大面積平均密度或膨脹率的任何變化都會使不同方向的微波背景不同。這說明宇宙的行為在非常大的尺度上是簡單的，而不是混沌的。所以我們可以預測宇宙遙遠的未來。
因為宇宙的膨脹是如此的均勻，所以人們可以用壹個單壹的數字來描述，也就是兩個星系之間的距離。現在這個距離在增加，但預計不同星系之間的引力吸引正在降低這個膨脹速率。如果宇宙的密度大於某個臨界值，引力最終會停止膨脹，使宇宙再次開始收縮。宇宙會坍縮成大擠壓，這和宇宙開始的大爆炸很像。大擠壓是壹種叫做奇點的東西，奇點是壹種密度無限大的狀態，物理定律在這種狀態下失效。這說明即使大擠壓之後有事件發生，他們的下場也是無法預料的。但是如果事件之間沒有因果聯系，就沒有合理的方法說壹個事件接著壹個事件發生。也許人們可以說，我們的宇宙終結於壹次大擠壓，“之後”發生的任何事情都是另壹個分離宇宙的壹部分。有點像輪回。如果有人聲稱壹個新生嬰兒相當於壹個已故的人，如果嬰兒沒有從他的前生繼承任何特征或記憶，這種說法有什麽意義？人們可以告訴他，這是壹個完全不同的個體。
如果宇宙的密度小於臨界值。它不會崩潰，而是會永遠繼續膨脹。它的密度在壹段時間後會變得很低，以至於引力對減緩膨脹沒有顯著作用。星系將繼續以恒定的速度相互離開。
這樣，宇宙未來的關鍵問題是:平均密度是多少？如果小於臨界值，宇宙將永遠膨脹。但如果大於臨界值，宇宙就會坍縮，時間本身也會在大擠壓時終結。不過，我比其他末日預言家有優勢。即使宇宙即將坍縮，我也可以自信地預言，它至少在100億年內不會停止膨脹。沒想到我會留在當時的世界，被證明是錯的。
我們可以從觀測中估算出宇宙的平均密度。如果我們計算可見恒星，並把它們的質量加起來，我們得到的大約不到臨界值的1%。即使我們加上宇宙中觀測到的氣體雲的質量，它仍然只把總數加到臨界值的1%。但是，我們知道，宇宙中應該還包含著所謂的暗物質，也就是我們無法直接觀測到的東西。暗物質的壹個證據來自螺旋星系。有巨大的蛋糕狀恒星和氣體聚合物。我們觀察到它們圍繞中心旋轉。但如果它們只包含我們觀測到的恒星和氣體，那麽自轉速率高到足以把它們扔掉。壹定存在某種看不見的物質形式，它的引力足以牢牢抓住這些旋轉的星系。
暗物質的另壹個證據來自星系團。我們觀察到星系在整個空間分布不均勻，它們聚集在壹起，少則幾個星系，多則上百個星系。假設這些星系相互吸引成團，形成這些星系團。然而，我們可以測量這些星系團中單個星系的速度。我們發現它的速度如此之快，以至於如果沒有引力把它們拉在壹起，這些星系團就會散開。所需質量遠大於所有星系的總質量。這是在這種情況下估計的，也就是說，我們認為星系在旋轉時已經有了將自己保持在壹起所需的質量。因此，我們在星團中觀測到的星系之外，壹定存在額外的暗物質。
人們可以對那些我們有確切證據的星系和星系團中的暗物質數量做出相當可靠的估計。但這壹估計仍然只達到使宇宙再次坍縮的臨界質量的10%左右。這樣，如果我們僅僅依靠觀測證據，我們就可以預測宇宙將繼續無限膨脹。大約50億年後，太陽將耗盡它的核燃料。它將膨脹成所謂的紅巨星，直到吞沒地球和其他更靠近的行星。它最終會穩定成為壹顆規模只有幾千英裏的白矮星。我在預言世界末日，但現在還沒有。這個預測並沒有讓股市過於低迷。前面還有壹兩個更緊迫的問題。無論如何，假設我們還沒有在太陽爆炸的那壹刻毀滅自己，我們應該已經掌握了星際旅行的技術。
大約100億年後，宇宙中的大多數恒星已經耗盡了燃料。質量約為太陽的恒星要麽成為白矮星，要麽成為中子星，它們比白矮星更小、更致密。質量更大的恒星會變成黑洞。黑洞更小，引力場強到光無法逃逸。然而，這些殘留物每隔1億年繼續圍繞銀河系中心旋轉。這些殘余物的碰撞將導致壹些被拋出星系。其余的將逐漸穩定在中心附近更近的軌道上，最終聚集在壹起，在星系中心形成壹個巨大的黑洞。無論星系或星系團中有什麽暗物質，都可以預期它們也會落入這些非常巨大的黑洞中。
因此，可以假設壹個星系或星系團中的大多數物體最終都存在於黑洞中。但是，幾年前我發現，黑洞並沒有描繪的那麽黑。根據量子力學的測不準原理，粒子不可能同時具有明確定義的位置和明確定義的速度。粒子的位置定義得越精確，其速度定義得越不精確，反之亦然。如果黑洞中有壹個粒子，它在黑洞中的位置是很好定義的，這意味著它的速度無法精確定義。所以粒子的速度可能會超過光速，使得它從黑洞中逃逸出來，粒子和輻射從黑洞中泄漏出來的速度就這麽慢。星系中心的巨大黑洞可能有幾百萬英裏大。這樣，粒子在其中的位置就有了很大的不確定性。所以粒子速度的不確定性很小，這說明壹個粒子逃離黑洞需要非常長的時間。但它終究會逃脫。星系中心的巨型黑洞可能需要1090年才能蒸發完全消失，也就是“1”後面跟著90個零。這比現在宇宙的年齡要長得多。是1010年，意思是“1”後跟10個零。如果宇宙要永遠膨脹，黑洞還有足夠的時間蒸發。
不斷膨脹的宇宙的未來相當無聊。但是宇宙是否會永遠膨脹，這壹點也不確定。我們只有確鑿的證據證明宇宙坍縮所需密度的十分之壹。但是，可能還有其他種類的暗物質沒有被我們探測到，會使宇宙的平均密度達到或超過臨界值。這些額外的暗物質壹定位於星系或星系團之外。否則，我們應該意識到它對星系旋轉或星系團中星系運動的影響。
為什麽要認為可能有足夠多的暗物質讓宇宙最終坍縮？為什麽我們不能相信我們有確鑿的證據？原因是即使宇宙現在只有臨界密度的十分之壹。選擇初始密度和膨脹率需要非常小心。如果大爆炸後壹秒鐘宇宙密度增加壹萬億，十年後宇宙就會坍縮。另壹方面，如果宇宙的密度在當時減少了相同的量，那麽宇宙將在大約十年後變得基本上是空的。
為什麽宇宙的初始密度選得這麽仔細？也許有壹些原因可以解釋為什麽宇宙必須有臨界密度。看起來可能有兩種解釋。壹個是所謂的人擇原理，可以重述如下:宇宙是這樣的，因為否則，我們不會在這裏觀察到它。這個想法是，可能有許多不同密度的不同宇宙。只有那些非常接近臨界密度的物質才能存活足夠長的時間，並包含足夠多的物質來形成恒星和行星。只有在那些宇宙中，智慧生物才能提出這樣的問題:為什麽密度如此接近臨界密度？如果這就是對宇宙當前密度的解釋，那就沒有理由相信宇宙中包含的物質比我們探測到的要多。臨界密度的十分之壹足以形成星系和恒星。
然而，許多人不喜歡人擇原理，因為它似乎過於依賴我們自己的存在。因此，有些人尋求另壹種可能的解釋來解釋為什麽密度應該如此接近臨界值。這壹探索導致了早期宇宙的膨脹理論。這個想法是，宇宙的規模已經擴大了壹倍，就像在遭受極度通貨膨脹的國家，價格每隔幾個月就會翻壹番壹樣。但宇宙的爆炸要迅速和極端得多:壹次小爆炸至少1000億倍的增加，會讓宇宙如此接近準確的臨界密度，以至於仍然非常接近臨界密度。這樣，如果膨脹理論是正確的，宇宙應該包含足夠多的暗物質，使密度達到壹個臨界值。這意味著宇宙最終可能會崩潰，但這個時間不會比迄今為止膨脹的壹百五十億年長太多。
綜上所述，科學家認為宇宙是由明確定義的規律所統治的，這些規律原則上允許人們預測未來。但是法律給出的運動通常是混亂的。這意味著初始狀態的微小變化會導致後續行為的快速增加。這樣，人們往往只能對未來相對較短的時間做出準確的預測。然而，宇宙的大尺度行為似乎是簡單的而不是混沌的。因此，人們可以預測宇宙是永遠膨脹還是最終會坍縮。這取決於宇宙的現有密度。事實上，現在的密度似乎非常接近區分坍縮和無限膨脹的臨界密度。如果膨脹理論是正確的，宇宙實際上是在刀刃上。所以我只是繼承了那些巫師或者先知的好傳統，雙方打了個賭以示肯定。