很多朋友都會(hui) 問下麵這些問題：誰給大爆炸提供了能量？為(wei) 什麽(me) 沒有炸出來反物質呢？大爆炸之前是什麽(me) ？大爆炸的中心在哪裏？宇宙的邊在哪裏？我們(men) 會(hui) 跟著宇宙一起膨脹嗎？宇宙會(hui) 一直膨脹下去嗎？宇宙的未來是什麽(me) ？

　　這些問題，有些是大家的誤解，有些學術界目前也不能給出確定的回答。更重要的是，如果上網搜索，你會(hui) 看到各種稀奇古怪的回答，但是在正規的天文學書(shu) 裏卻找不到這些問題的答案，或者即使找到了，你也會(hui) 被那些學術術語和複雜的公式方程嚇退。

　　在這堂課裏麵，我將澄清一些誤解，也對那些學術界一般不用通俗的語言解釋甚至還沒有確切答案的問題，盡量給讀者做一些初步的介紹和回答，滿足讀者的好奇心。

　　宇宙有沒有邊？

　　宇宙到底有沒有邊？按道理說，雖然不一定看得到，但是再大的東(dong) 西也得有邊啊！這個(ge) 問題是我在各種場合被問到的最多的問題，沒有之一。提問者從(cong) 6歲的孩子到已經退休的老人家，各行各業(ye) 的人基本上都有。

　　在回答這個(ge) 問題之前，首先我們(men) 需要定義(yi) 什麽(me) 是宇宙。一般來說， 我們(men) 認為(wei) 宇宙就是物質世界的總和。那麽(me) 在這種情況下，我如果回答宇宙有邊界，那麽(me) 你一定會(hui) 接著問：邊界外麵是什麽(me) ？答案是：邊界外麵仍然是宇宙。你如果接著問：再往外呢？答案仍然是：再往外仍然是宇宙。所以我隻能回答，宇宙沒有邊界。

　　但是這個(ge) 回答你肯定不會(hui) 滿意：沒有邊界不就意味著宇宙是無窮大了嗎？沒錯，這就是當前學術界的標準回答。然而，愛因斯坦當年就是不相信宇宙是無限的，但是他也不認為(wei) 宇宙有邊界，那怎麽(me) 辦？愛因斯坦當然不會(hui) 被這個(ge) 問題難住，他認為(wei) 我們(men) 的宇宙是有限無界的。

　　什麽(me) 是有限無界？比如，一隻螞蟻在一個(ge) 很大的球麵上，它無論如何也找不到這個(ge) 球麵的邊界，但是很顯然，這個(ge) 球麵是有限的，因為(wei) 它是閉合的。同樣的道理，如果我們(men) 的宇宙是一個(ge) 閉合的宇宙，我們(men) 就不可能找到宇宙的邊界，但是這個(ge) 宇宙仍然是有限的。比如，有一個(ge) 很漂亮的宇宙模型認為(wei) ，我們(men) 的宇宙就是一個(ge) 巨大的四維黑洞的三維視界麵， 當然就是有限無界的，當然就沒有邊，也沒有宇宙的外麵這個(ge) 概念了。

　　有一個(ge) 很漂亮的宇宙模型認為(wei) ，我們(men) 的宇宙就是一個(ge) 巨大的四維黑洞的三維視界麵 | Science Photo Library， Victor de Schwanberg

　　那麽(me) ，我們(men) 的宇宙是閉合的嗎？這個(ge) 問題就是科學研究可以回答的了：根據愛因斯坦的廣義(yi) 相對論，宇宙是否閉合取決(jue) 於(yu) 宇宙的平均密度， 密度高於(yu) 一定的值，空間的彎曲就類似一個(ge) 球麵，所以可以閉合起來；密度低於(yu) 一定的值，空間的彎曲就類似一個(ge) 馬鞍形，不能合攏。而這個(ge) 值恰好就是前麵所說的臨(lin) 界密度，當宇宙平均密度等於(yu) 這個(ge) 值的時候， 空間就恰好是平坦的，對應於(yu) 歐幾裏得幾何描述的空間，也叫作閔可夫斯基空間。

　　宇宙的三種可能的幾何形狀。圖中藍色的線表示局部平行的光線。 | astronomy.swin.edu.au

　　所以，如果能夠精確測量宇宙的平均密度，也包括宇宙的所有能量， 那麽(me) 就可以根據廣義(yi) 相對論確定我們(men) 的宇宙是否是閉合的。現在的觀測結果告訴我們(men) ，宇宙的平均密度極為(wei) 接近臨(lin) 界密度，但是在目前的測量精度範圍內(nei) ，既不能完全排除宇宙是閉合的，也不能確定宇宙就是開放的，隻能等待未來更高精度的測量結果。利用宇宙微波背景輻射對宇宙大尺度空間的測量結果也表明，在目前的測量精度範圍之內(nei) ，宇宙是平坦的，盡管也不能完全排除宇宙是開放的還是閉合的。

　　研究人員進行中微子探測實驗|東(dong) 京大學

　　因此，盡管愛因斯坦不相信宇宙會(hui) 是無限的，但是目前的科學研究並不能給出明確答案，這就是科學和哲學的區別。科學需要證據，而哲學隻需要理性思考。

　　我們(men) 會(hui) 跟著宇宙一起膨脹嗎？

　　既然宇宙正在膨脹中，那麽(me) 宇宙中的各個(ge) 天體(ti) ，乃至我們(men) 人類自己， 是不是也在跟著宇宙膨脹不斷變大？

　　這實際上是一個(ge) 非常嚴(yan) 肅的科學問題，我和我的一個(ge) 研究生就曾經認真地研究過。對這個(ge) 問題的標準和主流的回答是：膨脹的是空間，不是空間中的物體(ti) ，包括所有的天體(ti) 和人類。

　　我前麵在解釋哈勃定律的時候，就用了烤麵包的時候在裏麵放一些葡萄幹作為(wei) 例子，說明是麵包在膨脹導致了葡萄幹之間的距離變化的速度恰好滿足了哈勃定律。就像葡萄幹自己並沒有在麵包裏麵跑一樣，其實宇宙中的天體(ti) 也沒有在宇宙中跑，實際上是空間本身膨脹了，與(yu) 麵包本身膨脹了是一個(ge) 道理。

　　那麽(me) ，怎麽(me) 理解宇宙膨脹過程中天體(ti) 的大小不變呢？如果宇宙膨脹中隻有萬(wan) 有引力在起作用，膨脹的起源是大爆炸，那麽(me) 大爆炸之後，一旦形成了天體(ti) ，天體(ti) 之間的距離就隻能增加，天體(ti) 的大小的確不會(hui) 變化， 就像在地球表麵往上扔一塊石頭，石頭在向上飛的過程中大小是不會(hui) 變化的，當然我們(men) 這裏忽略了石頭和空氣的摩擦作用。但是，自從(cong) 1998 年發現宇宙加速膨脹之後，上麵的標準和主流的回答就需要修改了，這就是我和我的一個(ge) 研究生曾經研究過的問題。目前對於(yu) 宇宙加速膨脹的最主流解釋就是存在暗能量，暗能量使得天體(ti) 之間有了一種目前未知的排斥力。暗能量在宇宙中均勻分布且其密度不隨宇宙的膨脹而變化， 導致在今天的宇宙中遙遠星係之間的排斥力就開始克服了它們(men) 之間的萬(wan) 有引力，使得今天宇宙中星係的膨脹速度變快了。

　　既然暗能量在宇宙中均勻分布，它就會(hui) 在所有的地方都起作用，比如在我們(men) 的身體(ti) 裏麵也會(hui) 導致原子之間有排斥力，我們(men) 就有可能變大。

　　暗能量讓宇宙加速膨脹|《極簡天文課》

　　多年前當剛剛發現宇宙加速膨脹的時候，我和我的一個(ge) 研究生就計算了這個(ge) 效應，計算結果是：在目前的情況下，不但這個(ge) 排斥力對我們(men) 身體(ti) 的影響比起生物學效應來說完全可以忽略不計，即使對於(yu) 整個(ge) 太陽係的影響也完全小於(yu) 太陽本身的演化帶來的影響。

　　但是，今天這個(ge) 效應可以忽略，並不表明這個(ge) 效應永遠可以忽略，這取決(jue) 於(yu) 暗能量的性質。在有些模型中，比如暗能量密度隨時間增加，那麽(me) 暗能量不僅(jin) 僅(jin) 會(hui) 讓人變大，而且有可能把我們(men) 身體(ti) 裏麵的原子都撕碎，出現所謂的“大撕裂”現象。由於(yu) 我們(men) 目前還不理解暗能量的性質，所以我們(men) 現在真的不知道在遙遠的未來，宇宙的膨脹會(hui) 對人類產(chan) 生什麽(me) 影響。

　　宇宙會(hui) 一直膨脹下去嗎？

　　了解了宇宙的過去和現在，很顯然我們(men) 會(hui) 問，宇宙會(hui) 一直膨脹下去嗎？宇宙未來的命運會(hui) 是怎樣的？實際上，科學界現在並不能確切地回答這些問題，目前隻能給出幾種宇宙未來可能的模式，而起決(jue) 定性作用的就是宇宙中的總物質和能量密度，以及暗能量的性質。

　　比如說，我們(men) 在地球上向上扔一個(ge) 球，如果初始速度低，球就會(hui) 落回來，恰好能夠讓球不落回來的速度取決(jue) 於(yu) 地球的質量，也就是對應地球半徑的球以內(nei) 的平均密度。用同樣的辦法來計算，讓今天宇宙中的天體(ti) 能夠恰好一直相互分離而不回落，所要求的宇宙的密度就是臨(lin) 界密度， 隻不過在廣義(yi) 相對論的框架中，物質、能量和壓力都會(hui) 產(chan) 生引力，因此計算得到的密度是總的密度。

　　我們(men) 在地球上向上扔一個(ge) 球，如果初始速度低，球就會(hui) 落回來|Pixabay
 

　　簡單地來講，如果宇宙的總密度大於(yu) 臨(lin) 界密度，我們(men) 的宇宙將來的膨脹就會(hui) 最終停止，宇宙就會(hui) 坍縮，會(hui) 重新回到一個(ge) 起點。

　　如果宇宙的總密度恰好等於(yu) 臨(lin) 界密度，宇宙就會(hui) 一直膨脹下去，在無限遠的未來才會(hui) 停下來。目前宇宙的總密度看來非常接近臨(lin) 界密度， 所以這很可能就是宇宙的未來。

　　但是，如果宇宙的總密度稍微小於(yu) 臨(lin) 界密度，那麽(me) 宇宙的膨脹即使在無窮遠的未來也不會(hui) 停下來。在這種情況下，如果暗能量的密度保持為(wei) 常數，目前宇宙的加速膨脹就會(hui) 繼續下去，膨脹得越來越快，星係和星係之間的分離速度越來越快，以至於(yu) 最後我們(men) 看不到宇宙中其他的星係。

　　這還不是最可怕的，最可怕的是前麵提到的大撕裂的情況。如果暗能量的密度隨時間而增加，未來的宇宙就會(hui) 出現大撕裂。大撕裂的意思是說不僅(jin) 僅(jin) 星係和星係之間的距離會(hui) 變得越來越遠，星係裏麵的每個(ge) 天體(ti) 之間的距離也會(hui) 變得越來越遠，星係會(hui) 被撕裂。甚至組成我們(men) 身體(ti) 的原子都會(hui) 被撕裂開，所以這是一種非常不好的情況，真的不希望會(hui) 發生。

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