來源：我是科學(xué)家iScientist ，作者張雙南
很多朋友都會(huì)問下面這些問題：誰給大爆炸提供了能量？為什么沒有炸出來反物質(zhì)呢？大爆炸之前是什么？大爆炸的中心在哪里？宇宙的邊在哪里？我們會(huì)跟著宇宙一起膨脹嗎？宇宙會(huì)一直膨脹下去嗎？宇宙的未來是什么？
這些問題，有些是大家的誤解，有些學(xué)術(shù)界目前也不能給出確定的回答。更重要的是，如果上網(wǎng)搜索，你會(huì)看到各種稀奇古怪的回答，但是在正規(guī)的天文學(xué)書里卻找不到這些問題的答案，或者即使找到了，你也會(huì)被那些學(xué)術(shù)術(shù)語和復(fù)雜的公式方程嚇退。
在這堂課里面，我將澄清一些誤解，也對(duì)那些學(xué)術(shù)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，但是再大的東西也得有邊??！這個(gè)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(jīng)退休的老人家，各行各業(yè)的人基本上都有。
在回答這個(gè)問題之前，首先我們需要定義什么是宇宙。一般來說， 我們認(rèn)為宇宙就是物質(zhì)世界的總和。那么在這種情況下，我如果回答宇宙有邊界，那么你一定會(huì)接著問：邊界外面是什么？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(gè)回答你肯定不會(huì)滿意：沒有邊界不就意味著宇宙是無窮大了嗎？沒錯(cuò)，這就是當(dāng)前學(xué)術(shù)界的標(biāo)準(zhǔn)回答。然而，愛因斯坦當(dāng)年就是不相信宇宙是無限的，但是他也不認(rèn)為宇宙有邊界，那怎么辦？愛因斯坦當(dāng)然不會(huì)被這個(gè)問題難住，他認(rèn)為我們的宇宙是有限無界的。
什么是有限無界？比如，一只螞蟻在一個(gè)很大的球面上，它無論如何也找不到這個(gè)球面的邊界，但是很顯然，這個(gè)球面是有限的，因?yàn)樗情]合的。同樣的道理，如果我們的宇宙是一個(gè)閉合的宇宙，我們就不可能找到宇宙的邊界，但是這個(gè)宇宙仍然是有限的。比如，有一個(gè)很漂亮的宇宙模型認(rèn)為，我們的宇宙就是一個(gè)巨大的四維黑洞的三維視界面， 當(dāng)然就是有限無界的，當(dāng)然就沒有邊，也沒有宇宙的外面這個(gè)概念了。
有一個(gè)很漂亮的宇宙模型認(rèn)為，我們的宇宙就是一個(gè)巨大的四維黑洞的三維視界面 | Science Photo Library， Victor de Schwanberg
那么，我們的宇宙是閉合的嗎？這個(gè)問題就是科學(xué)研究可以回答的了：根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，宇宙是否閉合取決于宇宙的平均密度， 密度高于一定的值，空間的彎曲就類似一個(gè)球面，所以可以閉合起來；密度低于一定的值，空間的彎曲就類似一個(gè)馬鞍形，不能合攏。而這個(gè)值恰好就是前面所說的臨界密度，當(dāng)宇宙平均密度等于這個(gè)值的時(shí)候， 空間就恰好是平坦的，對(duì)應(yīng)于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(lán)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(cè)量宇宙的平均密度，也包括宇宙的所有能量， 那么就可以根據(jù)廣義相對(duì)論確定我們的宇宙是否是閉合的?，F(xiàn)在的觀測(cè)結(jié)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(cè)量精度范圍內(nèi)，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(cè)量結(jié)果。利用宇宙微波背景輻射對(duì)宇宙大尺度空間的測(cè)量結(jié)果也表明，在目前的測(cè)量精度范圍之內(nèi)，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(jìn)行中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)|東京大學(xué)
因此，盡管愛因斯坦不相信宇宙會(huì)是無限的，但是目前的科學(xué)研究并不能給出明確答案，這就是科學(xué)和哲學(xué)的區(qū)別。科學(xué)需要證據(jù)，而哲學(xué)只需要理性思考。
我們會(huì)跟著宇宙一起膨脹嗎？
既然宇宙正在膨脹中，那么宇宙中的各個(gè)天體，乃至我們?nèi)祟愖约海?是不是也在跟著宇宙膨脹不斷變大？
這實(shí)際上是一個(gè)非常嚴(yán)肅的科學(xué)問題，我和我的一個(gè)研究生就曾經(jīng)認(rèn)真地研究過。對(duì)這個(gè)問題的標(biāo)準(zhǔn)和主流的回答是：#p#分頁標(biāo)題#e#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(shí)候，就用了烤面包的時(shí)候在里面放一些葡萄干作為例子，說明是面包在膨脹導(dǎo)致了葡萄干之間的距離變化的速度恰好滿足了哈勃定律。就像葡萄干自己并沒有在面包里面跑一樣，其實(shí)宇宙中的天體也沒有在宇宙中跑，實(shí)際上是空間本身膨脹了，與面包本身膨脹了是一個(gè)道理。
那么，怎么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，那么大爆炸之后，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(huì)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(huì)變化的，當(dāng)然我們這里忽略了石頭和空氣的摩擦作用。但是，自從1998 年發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹之后，上面的標(biāo)準(zhǔn)和主流的回答就需要修改了，這就是我和我的一個(gè)研究生曾經(jīng)研究過的問題。目前對(duì)于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布且其密度不隨宇宙的膨脹而變化， 導(dǎo)致在今天的宇宙中遙遠(yuǎn)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布，它就會(huì)在所有的地方都起作用，比如在我們的身體里面也會(huì)導(dǎo)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(dāng)剛剛發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹的時(shí)候，我和我的一個(gè)研究生就計(jì)算了這個(gè)效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果是：在目前的情況下，不但這個(gè)排斥力對(duì)我們身體的影響比起生物學(xué)效應(yīng)來說完全可以忽略不計(jì)，即使對(duì)于整個(gè)太陽系的影響也完全小于太陽本身的演化帶來的影響。
但是，今天這個(gè)效應(yīng)可以忽略，并不表明這個(gè)效應(yīng)永遠(yuǎn)可以忽略，這取決于暗能量的性質(zhì)。在有些模型中，比如暗能量密度隨時(shí)間增加，那么暗能量不僅僅會(huì)讓人變大，而且有可能把我們身體里面的原子都撕碎，出現(xiàn)所謂的“大撕裂”現(xiàn)象。由于我們目前還不理解暗能量的性質(zhì)，所以我們現(xiàn)在真的不知道在遙遠(yuǎn)的未來，宇宙的膨脹會(huì)對(duì)人類產(chǎn)生什么影響。
宇宙會(huì)一直膨脹下去嗎？
了解了宇宙的過去和現(xiàn)在，很顯然我們會(huì)問，宇宙會(huì)一直膨脹下去嗎？宇宙未來的命運(yùn)會(huì)是怎樣的？實(shí)際上，科學(xué)界現(xiàn)在并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(zhì)和能量密度，以及暗能量的性質(zhì)。
比如說，我們?cè)诘厍蛏舷蛏先右粋€(gè)球，如果初始速度低，球就會(huì)落回來，恰好能夠讓球不落回來的速度取決于地球的質(zhì)量，也就是對(duì)應(yīng)地球半徑的球以內(nèi)的平均密度。用同樣的辦法來計(jì)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(duì)論的框架中，物質(zhì)、能量和壓力都會(huì)產(chǎn)生引力，因此計(jì)算得到的密度是總的密度。
我們?cè)诘厍蛏舷蛏先右粋€(gè)球，如果初始速度低，球就會(huì)落回來|Pixabay
簡單地來講，如果宇宙的總密度大于臨界密度，我們的宇宙將來的膨脹就會(huì)最終停止，宇宙就會(huì)坍縮，會(huì)重新回到一個(gè)起點(diǎn)。
如果宇宙的總密度恰好等于臨界密度，宇宙就會(huì)一直膨脹下去，在無限遠(yuǎn)的未來才會(huì)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于臨界密度，那么宇宙的膨脹即使在無窮遠(yuǎn)的未來也不會(huì)停下來。在這種情況下，如果暗能量的密度保持為常數(shù)，目前宇宙的加速膨脹就會(huì)繼續(xù)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，以至于最后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(shí)間而增加，未來的宇宙就會(huì)出現(xiàn)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(huì)變得越來越遠(yuǎn)，星系里面的每個(gè)天體之間的距離也會(huì)變得越來越遠(yuǎn)，星系會(huì)被撕裂。甚至組成我們身體的原子都會(huì)被撕裂開，所以這是一種非常不好的情況，真的不希望會(huì)發(fā)生。