星系团LCDS-0829。NASA / ESA / 哈勃太空望远镜
也许对20世纪的最后一代而言，宇宙学中最大的发现是宇宙的加速膨胀。那些遥远的星系不但在远离我们，而且竟然还在加速远离我们！这一发现获得了2011年的诺贝尔物理学奖，但这真的是一个极端古怪且无法解释的现象。
不过在历史上，宇宙的膨胀并非一直都和今天一样。几十亿年前，宇宙的膨胀要比今天慢，假如我们生活在那时，很可能还以为它要坍缩。
1920年代，三大观测证据和一大理论证据都指出：宇宙在膨胀。
第一个观测证据是河外星系的发现。原本人们以为这些螺旋状的天体是星云，但它们实际上是所谓的“岛宇宙”，包含了至少数十亿的恒星。而且它们离我们极为遥远，远在银河系以外。
第二个观测证据是对星系红移和蓝移的测量。测量结果能够让我们获知哪些星系在离我们远去（红移），哪些在向我们靠近（蓝移）。
第三个观测证据是对这些星系和地球间距离的测量。综合这些观测结果，我们得知，离我们越远的星系，远离我们的速度越快。
一大理论证据是爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦认为，鉴于充满了星系的宇宙在各个方向上的密度是大致相同的，因此除非它在膨胀或收缩，否则它就是不稳定的。
因此在1929年前后那段时期，人们都认为宇宙有一个温度更高、密度更大且膨胀速度更快的过去，而随着时间的推移，宇宙会变得越来越冷、密度越来越低，膨胀速度也会逐渐降低。
这在宇宙大爆炸的语境中，是合乎直觉的。宇宙大爆炸就像是发令枪，参赛者一边是宇宙的高速初始膨胀，一边是想把一切往回拉的引力。由此我们可以设想，宇宙可能会有三种不同的命运。
一种是大收缩。也许初始膨胀的速度是快的，但随着时间的推移，引力开始接管。膨胀的速度会逐渐变慢，然后停止，宇宙到达最大状态，然后开始收缩，最终重新坍缩成一个奇点。
第二种是大冻结。这是一种与大收缩相反的假设场景。膨胀以高速开始，引力逐渐拖慢它的速度，但又不足以使其收缩。于是宇宙的膨胀会永远进行下去，引力也会一直试图阻止它膨胀，但又无法让它完全停止。宇宙最终的结果是热寂。
第三种是临界宇宙。这种情况介于前面两种假设之间。宇宙膨胀的速度能够和引力完美平衡，因此膨胀速度会逐渐变慢，并无限接近于零。假如宇宙的粒子总数多一个或少一个，就会出现前面两种命运。但在第三种假设中，由于粒子数量刚刚好，而导致了“临界宇宙”的出现。这样的宇宙会以最慢的速度迈向热寂。
通过观测遥远的星系，我们不但可以测出宇宙今天的膨胀速度，还可以测出宇宙过去的膨胀速度。因为星系越远，它所处的年代就越早。结果表明，在大爆炸后几十亿年时，宇宙很可能曾经表现出临界宇宙的特点。精确地说是在宇宙大爆炸后的大约七十亿年。
那时候在宇宙的膨胀中起主导作用的是辐射。那时的物质已经冷却到足以形成物质和暗物质，而随着宇宙的持续膨胀，物质的密度变得越来越低。在某个时间点上，物质的密度跌过了临界，于是，潜伏在宇宙能量密度中的隐者——暗能量开始起作用。
在宇宙大爆炸后大约70亿年时，暗能量在宇宙能量密度总和中的比重大约是百分之几，而到了宇宙大爆炸后78亿年的时候，暗能量的比重上升到了宇宙能量密度总和的33%。这个数值非常重要，因为暗能量的比例一旦超过这个值，宇宙就会加速膨胀。
NASA / ESA / 老孙
从那时，也就是距今大约60亿年前开始，物质的密度一直在下跌。于是到了今天，暗能量的比重占到了宇宙能量总和的68%，物质下跌到了32%左右（包括27%的暗物质和5%的普通物质）。而在未来，物质的密度还会继续下跌。因此暗能量的主导地位将越来越稳固。
对于星系而言，这就意味着在宇宙的首个78亿年间，它们互相之间远离的速度是在变慢的。尽管在宇宙大爆炸那一刻，所有物质都是以非常高的速度相互远离的。但到宇宙大爆炸后大约78亿个之时，这种变慢的趋势逐渐中止，宇宙的膨胀开始加速。
说到宇宙的加速膨胀，有一点的确非常令人震惊——可观测宇宙中除了我们本星系群星系以外的其它97%星系，终会有一天从我们的视线中永远消失。那时的人类将看不到它们了，因为它们的退行速度会使以恒定速度前行的光永远也无法到达我们眼中。
就我们目前所知，宇宙中的暗能量一直以来都是存在的。但在宇宙诞生78亿年后，也就是我们太阳系诞生前15亿年，宇宙的物质密度跌破了临界点，导致宇宙在暗能量的主导下开始加速膨胀。自此开始，所有本星系群以外的星系都在加速离我们远去，直到来自它们的最后一点亮光消失在我们眼中。
宇宙的加速膨胀是在60亿年开始的。假如我们生活在60亿年前，假如我们只凭直觉，就会以为宇宙的膨胀不过就前面所述的三种结果。正因我们生活在今天，才有幸得出这个结论。而未来宇宙中是否会出现新的情况？我们不得而知。
Ethan Siegel 文 / 老孙 译
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