原創 張雙南 我是科學家iScientist 收錄於話題#張雙南專欄39個

在中，張雙南老師為大家講解了四個有趣的問題。另外三個有關宇宙奇怪問題的答案，將在本篇文章中得到解答。

很多朋友都會問下面這些問題：誰給大爆炸提供了能量？為什麼沒有炸出來反物質呢？大爆炸之前是什麼？大爆炸的中心在哪裡？宇宙的邊在哪裡？我們會跟著宇宙一起膨脹嗎？宇宙會一直膨脹下去嗎？宇宙的未來是什麼？

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，如果上網搜尋，你會看到各種稀奇古怪的回答，但是在正規的天文學書裡卻找不到這些問題的答案，或者即使找到了，你也會被那些學術術語和複雜的公式方程嚇退。

在這堂課裡面，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，儘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，但是再大的東西也得有邊啊！這個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6歲的孩子到已經退休的老人家，各行各業的人基本上都有。

在回答這個問題之前，首先我們需要定義什麼是宇宙。一般來說， 我們認為宇宙就是物質世界的總和。那麼在這種情況下，我如果回答宇宙有邊界，那麼你一定會接著問：邊界外面是什麼？答案是：邊界外面仍然是宇宙。你如果接著問：再往外呢？答案仍然是：再往外仍然是宇宙。所以我只能回答，宇宙沒有邊界。

但是這個回答你肯定不會滿意：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，但是他也不認為宇宙有邊界，那怎麼辦？愛因斯坦當然不會被這個問題難住，他認為我們的宇宙是有限無界的。

什麼是有限無界？比如，一隻螞蟻在一個很大的球面上，它無論如何也找不到這個球面的邊界，但是很顯然，這個球面是有限的，因為它是閉合的。同樣的道理，如果我們的宇宙是一個閉合的宇宙，我們就不可能找到宇宙的邊界，但是這個宇宙仍然是有限的。比如，有一個很漂亮的宇宙模型認為，我們的宇宙就是一個巨大的四維黑洞的三維視介面， 當然就是有限無界的，當然就沒有邊，也沒有宇宙的外面這個概念了。

有一個很漂亮的宇宙模型認為，我們的宇宙就是一個巨大的四維黑洞的三維視介面 | Science Photo Library， Victor de Schwanberg

那麼，我們的宇宙是閉合的嗎？這個問題就是科學研究可以回答的了：根據愛因斯坦的廣義相對論，宇宙是否閉合取決於宇宙的平均密度， 密度高於一定的值，空間的彎曲就類似一個球面，所以可以閉合起來；密度低於一定的值，空間的彎曲就類似一個馬鞍形，不能合攏。而這個值恰好就是前面所說的臨界密度，當宇宙平均密度等於這個值的時候， 空間就恰好是平坦的，對應於歐幾里得幾何描述的空間，也叫作閔可夫斯基空間。

宇宙的三種可能的幾何形狀。圖中藍色的線表示區域性平行的光線。 | 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， 那麼就可以根據廣義相對論確定我們的宇宙是否是閉合的。現在的觀測結果告訴我們，宇宙的平均密度極為接近臨界密度，但是在目前的測量精度範圍內，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，只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，宇宙是平坦的，儘管也不能完全排除宇宙是開放的還是閉合的。

宇宙微波背景輻射天圖 | 《極簡天文課》

因此，儘管愛因斯坦不相信宇宙會是無限的，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，而哲學只需要理性思考。

我們會跟著宇宙一起膨脹嗎？

既然宇宙正在膨脹中，那麼宇宙中的各個天體，乃至我們人類自己， 是不是也在跟著宇宙膨脹不斷變大？

這實際上是一個非常嚴肅的科學問題，我和我的一個研究生就曾經認真地研究過。對這個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，包括所有的天體和人類。

我前面在解釋哈勃定律的時候，就用了烤麵包的時候在裡面放一些葡萄乾作為例子，說明是麵包在膨脹導致了葡萄乾之間的距離變化的速度恰好滿足了哈勃定律。就像葡萄乾自己並沒有在麵包裡面跑一樣，其實宇宙中的天體也沒有在宇宙中跑，實際上是空間本身膨脹了，與麵包本身膨脹了是一個道理。

宇宙膨脹示意圖 | 《極簡天文課》

那麼，怎麼理解宇宙膨脹過程中天體的大小不變呢？如果宇宙膨脹中只有萬有引力在起作用，膨脹的起源是大爆炸，那麼大爆炸之後，一旦形成了天體，天體之間的距離就只能增加，天體的大小的確不會變化， 就像在地球表面往上扔一塊石頭，石頭在向上飛的過程中大小是不會變化的，當然我們這裡忽略了石頭和空氣的摩擦作用。但是，自從1998 年發現宇宙加速膨脹之後，上面的標準和主流的回答就需要修改了，這就是我和我的一個研究生曾經研究過的問題。目前對於宇宙加速膨脹的最主流解釋就是存在暗能量，暗能量使得天體之間有了一種目前未知的排斥力。暗能量在宇宙中均勻分佈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系之間的排斥力就開始克服了它們之間的萬有引力，使得今天宇宙中星系的膨脹速度變快了。

既然暗能量在宇宙中均勻分佈，它就會在所有的地方都起作用，比如在我們的身體裡面也會導致原子之間有排斥力，我們就有可能變大。

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，我和我的一個研究生就計算了這個效應，計算結果是：在目前的情況下，不但這個排斥力對我們身體的影響比起生物學效應來說完全可以忽略不計，即使對於整個太陽系的影響也完全小於太陽本身的演化帶來的影響。

但是，今天這個效應可以忽略，並不表明這個效應永遠可以忽略，這取決於暗能量的性質。在有些模型中，比如暗能量密度隨時間增加，那麼暗能量不僅僅會讓人變大，而且有可能把我們身體裡面的原子都撕碎，出現所謂的“大撕裂”現象。由於我們目前還不理解暗能量的性質，所以我們現在真的不知道在遙遠的未來，宇宙的膨脹會對人類產生什麼影響。

宇宙會一直膨脹下去嗎？

瞭解了宇宙的過去和現在，很顯然我們會問，宇宙會一直膨脹下去嗎？宇宙未來的命運會是怎樣的？實際上，科學界現在並不能確切地回答這些問題，目前只能給出幾種宇宙未來可能的模式，而起決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，我們在地球上向上扔一個球，如果初始速度低，球就會落回來，恰好能夠讓球不落回來的速度取決於地球的質量，也就是對應地球半徑的球以內的平均密度。用同樣的辦法來計算，讓今天宇宙中的天體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界密度， 只不過在廣義相對論的框架中，物質、能量和壓力都會產生引力，因此計算得到的密度是總的密度。

我們在地球上向上扔一個球，如果初始速度低，球就會落回來 | Pixabay

簡單地來講，如果宇宙的總密度大於臨界密度，我們的宇宙將來的膨脹就會最終停止，宇宙就會坍縮，會重新回到一個起點。

如果宇宙的總密度恰好等於臨界密度，宇宙就會一直膨脹下去，在無限遠的未來才會停下來。目前宇宙的總密度看來非常接近臨界密度， 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臨界密度，那麼宇宙的膨脹即使在無窮遠的未來也不會停下來。在這種情況下，如果暗能量的密度保持為常數，目前宇宙的加速膨脹就會繼續下去，膨脹得越來越快，星系和星系之間的分離速度越來越快，以至於最後我們看不到宇宙中其他的星系。

這還不是最可怕的，最可怕的是前面提到的大撕裂的情況。如果暗能量的密度隨時間而增加，未來的宇宙就會出現大撕裂。大撕裂的意思是說不僅僅星系和星系之間的距離會變得越來越遠，星系裡面的每個天體之間的距離也會變得越來越遠，星系會被撕裂。甚至組成我們身體的原子都會被撕裂開，所以這是一種非常不好的情況，真的不希望會發生。

本篇文章選自張雙南老師所著的《極簡天文課》一書。本書用簡潔和通俗的語言，以講故事和回答問題的方式介紹了天文學對人類認識宇宙的幾次飛躍、天文學和現代自然科學的關係、科學和文化的關係，以及天文愛好者和公眾最關心的天文學的若干主題與最新進展。本書的主要內容取自作者廣受歡迎的分答小講“極簡天文課”，並在原來內容的基礎上進行了一定的修改和補充，配上生動的插圖，加入與聽眾的互動內容，進一步增加了可讀性，解答了公眾關心的相關問題。本書可供對科學、宇宙和未來充滿興趣的大眾讀者閱讀。

作者：張雙南

原標題：《宇宙膨脹，我們會跟著一起膨脹嗎？ | 張雙南專欄》