宇宙是否有盡頭，其實(shí)這個(gè)問(wèn)題不難回答。然而重要的是，從這個(gè)問(wèn)題，我們可以延伸到對(duì)宇宙更深層次的思考，進(jìn)而尋求宇宙的終極問(wèn)題的答案。 道格拉斯.亞當(dāng)斯在《銀河系漫游指南》中提出了“宇宙，生命和一切的終極問(wèn)題”。天文物理學(xué)的最新進(jìn)展讓我們可以從宇宙這一部分開(kāi)始回答這個(gè)終極問(wèn)題了，比如宇宙的形狀，宇宙的終極命運(yùn)，宇宙從哪里來(lái)等等。不過(guò)，你將在這里看到的答案，不會(huì)是42。

為了避免偏題，我們還是先來(lái)回答問(wèn)題“宇宙有沒(méi)有盡頭”。這個(gè)問(wèn)題和宇宙的形狀是密切相關(guān)的。知道了宇宙的形狀，是否有盡頭的問(wèn)題也就迎刃而解了。我們就從宇宙的形狀開(kāi)始吧。

1. 宇宙的幾何形狀

宇宙是一個(gè)三維空間。廣義相對(duì)論告訴我們，由于物質(zhì)和能量的存在，空間是可以彎曲的（實(shí)際上，我們可以只說(shuō)能量，因?yàn)槲镔|(zhì)本質(zhì)上就是能量 質(zhì)量是什么？ - Mandelbrot 的回答）。這種空間的彎曲，在牛頓的經(jīng)典力學(xué)體系中稱(chēng)為萬(wàn)有引力。下圖用二維平面來(lái)類(lèi)比，表現(xiàn)大質(zhì)量天體造成的空間彎曲。

空間的曲率可以是正，負(fù)或者零（零曲率意味著平坦的空間）。然而，生活在三維空間中的我們很難想象出一個(gè)彎曲的三維空間，所以就用二維空間來(lái)做一個(gè)類(lèi)比的討論吧。

二維平面上的幾何問(wèn)題可以用歐幾里得創(chuàng)立的平面幾何來(lái)分析。歐式幾何是一個(gè)偉大的創(chuàng)舉，它以5條公設(shè)（公理）為基礎(chǔ)，以邏輯為工具，建立起了一個(gè)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密的龐大數(shù)學(xué)體系，開(kāi)創(chuàng)了數(shù)學(xué)研究的公理化方法。然而，正是歐式幾何的第五條公設(shè)，導(dǎo)致了非歐幾何的誕生。第五公設(shè)可以表述為： 給定一條直線，通過(guò)此直線外的任何一點(diǎn)， 有且只有一條直線與之平行。 從第五公設(shè)可以推導(dǎo)出，三角形內(nèi)角和為180度（下圖中的最下面的平面）。 后世的數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果放棄歐式幾何的第五公設(shè)，代之以新的第五公設(shè)，可以得到完全不同但是同樣邏輯嚴(yán)密的新的幾何體系。比如： 給定一條直線，通過(guò)此直線外的任何一點(diǎn)， 有至少兩條直線與之平行。 以這條公設(shè)為基礎(chǔ)，可以推導(dǎo)出雙曲面幾何（下圖中的第二個(gè)曲面）。在這個(gè)體系中，三角形內(nèi)角和小于180度。 給定一條直線，通過(guò)此直線外的任何一點(diǎn)， 沒(méi)有一條直線與之平行。 以這條公設(shè)為基礎(chǔ)，可以推導(dǎo)出橢圓幾何（下圖中的第一個(gè)曲面）。在這個(gè)體系中，三角形內(nèi)角和大于180度。

三維空間中，3種第五公設(shè)同樣適用。如果空間是平坦的，則曲率等于0，三角形內(nèi)角和等于180度；如果空間是彎曲的，而且曲率大于0，則空間是封閉的，三角形內(nèi)角和大于180度；如果空間曲率小于0，則空間是開(kāi)放的，三角形內(nèi)角和小于180度。值得注意的是，平坦和開(kāi)放的空間都是無(wú)限延伸的。只有封閉空間具有有限大小。

現(xiàn)在回到問(wèn)題上來(lái) - 這三種空間有沒(méi)有盡頭。首先，平坦的空間和曲率小于0的開(kāi)放空間無(wú)疑是沒(méi)有盡頭的，它們都是無(wú)限大的。那么封閉的空間有沒(méi)有盡頭呢？我們?nèi)匀挥枚S的封閉曲面來(lái)分析。上圖中的球面是封閉曲面中的一種，它的大小是有限的，然而卻沒(méi)有邊界。比如一個(gè)人在地球表面朝一個(gè)方向走，他不會(huì)走到地球的邊界，而是會(huì)回到原點(diǎn)。同樣，我們知道封閉的三維空間雖然大小有限，但是它也是沒(méi)有邊界的。如果我們的宇宙是這樣一個(gè)有限而無(wú)邊的有限空間，飛船朝一個(gè)方向飛，最后會(huì)回到出發(fā)的地方。如果我們有一個(gè)足夠好的望遠(yuǎn)鏡，可以在遠(yuǎn)方看到自己（從我們身上發(fā)出的光環(huán)繞宇宙一周又回到了原點(diǎn)）。

到這里，這個(gè)問(wèn)題的答案已經(jīng)出來(lái)了。無(wú)論宇宙是什么形狀，都是沒(méi)有盡頭的。但是，上面的回答提出了新的問(wèn)題：宇宙是什么形狀的？ 這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在還沒(méi)有確定的答案。多數(shù)物理學(xué)家接受的觀點(diǎn)是：宇宙很可能是平坦的。這一假設(shè)有它的理論和觀察依據(jù)。

2. 平坦的宇宙

2.1 平坦宇宙的觀察證據(jù)

我們先來(lái)看支持平坦宇宙的觀察結(jié)果。在不同曲率的空間中，三角形內(nèi)角和是不一樣的。為了觀察空間的曲率，我們需要在宇宙中找到一個(gè)足夠大的，跨越整個(gè)可觀察宇宙的三角形。這樣的三角形在宇宙微波背景輻射中可以找到。

微波背景輻射產(chǎn)生于宇宙大爆炸后的38萬(wàn)年，當(dāng)時(shí)強(qiáng)烈的輻射彌漫了整個(gè)宇宙空間。經(jīng)過(guò)137億年的空間膨脹，這些輻射的能量已經(jīng)紅移成了微波。能夠接受微波的天線都可受到它的信號(hào)。當(dāng)你把電視機(jī)調(diào)到?jīng)]有頻道的頻率，你看到的噪聲就有一部分是宇宙大爆炸的余暉。下圖是NASA用高精度的WMAP望遠(yuǎn)鏡繪制的完整微波背景輻射圖像。

圖中的不同顏色代表了溫度的微小差異（小于千分之一）。物理學(xué)家理解這些差異的產(chǎn)生機(jī)制，由此可以算出顏色區(qū)域的真實(shí)大小。根據(jù)空間膨脹的速度，可以知道背景輻射的距離。這樣，一個(gè)跨越可觀察宇宙的三角形就可以畫(huà)出來(lái)了。如果宇宙是平的，這樣一個(gè)區(qū)域在從地球觀察，視角應(yīng)該是1度；如果宇宙是開(kāi)放的，視角應(yīng)該小于1度；如果宇宙是封閉的，視角應(yīng)該大于1度。

觀察的結(jié)果是，在誤差范圍內(nèi)，視角非常接近1度。這個(gè)結(jié)果表明，宇宙很可能在大尺度上是平坦的。NASA發(fā)射了新的普朗克望遠(yuǎn)鏡，將會(huì)帶來(lái)更精確的結(jié)果。

2.2 平坦宇宙的理論依據(jù)

平坦宇宙的理論依據(jù)是宇宙暴漲理論。暴漲理論是對(duì)宇宙大爆炸理論的擴(kuò)展。1929年哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙中的星系都在離我們而去，而且距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離速度越快。從此人們認(rèn)識(shí)到了宇宙空間在不斷膨脹。很自然的，人們回想，如果把時(shí)間回放，那么空間就是不斷收縮的。追溯到137億年前，我們的可見(jiàn)宇宙就是一個(gè)無(wú)窮小的點(diǎn)。這樣宇宙大爆炸理論就誕生了。大爆炸理論認(rèn)為，我們的宇宙起源于一個(gè)密度無(wú)限大，溫度無(wú)限高的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)不同階段的膨脹形成的。這個(gè)開(kāi)始的狀態(tài)被稱(chēng)為Singularity，奇點(diǎn)。

這里我們要澄清一些常見(jiàn)的誤解?！按蟊ā边@個(gè)名字無(wú)疑很吸引眼球，但是它并沒(méi)有很好的解釋這個(gè)理論。事實(shí)上，宇宙并沒(méi)有發(fā)生爆炸，而是空間膨脹。奇點(diǎn)這個(gè)詞誤導(dǎo)性更強(qiáng)，從字面上看是一個(gè)無(wú)窮小的點(diǎn)，而事實(shí)上這個(gè)詞用在黑洞中也確實(shí)是只一個(gè)無(wú)窮小的點(diǎn)。但是，宇宙的起源并不是一個(gè)這樣的點(diǎn)，而是一個(gè)高密度，高溫的狀態(tài)。

大爆炸理論是對(duì)空間膨脹的一個(gè)符合邏輯的推導(dǎo)，而且獲得的許多觀察結(jié)果的支持，但是他也有自身的缺陷：無(wú)法解釋為什么宇宙在大尺度上能量和溫度都是均勻的。無(wú)論我們朝哪個(gè)方向看，看到的星系密度都是大致一樣的。

如果你把不同顏色放進(jìn)水里，你會(huì)看到上圖中的情景。多等一會(huì)，水和顏料有時(shí)間互相交流，顏色就會(huì)均勻的混合起來(lái)，你就只會(huì)看到一種顏色。但是大爆炸中的高速空間膨脹沒(méi)有時(shí)間“多等一會(huì)”。早期的膨脹是快于光速的，連光也沒(méi)有時(shí)間從宇宙的一端傳到另一端。而正是這早期的膨脹階段決定了宇宙在大尺度上的結(jié)構(gòu)。那么，大尺度上的均勻分布就成了大爆炸理論無(wú)法解釋的難題。

美國(guó)物理學(xué)家阿蘭 古斯提出的暴漲理論從一種全新的角度解釋了大爆炸。早期宇宙有過(guò)一段大小穩(wěn)定的高溫高密度時(shí)期，在這段時(shí)間內(nèi)，宇宙達(dá)到了一個(gè)均勻分布的結(jié)構(gòu)。接著，宇宙的尺度暴漲，在秒內(nèi)，體積增長(zhǎng)了倍。在暴漲后的階段，宇宙也增長(zhǎng)了倍，但是用了137億年。而暴漲的動(dòng)力，你肯定想不到，是引力。在特定的條件下，廣義相對(duì)論允許引力產(chǎn)生排斥的效果。

暴漲理論的一個(gè)推論是，宇宙是平坦的?？臻g的曲率有物質(zhì)密度決定。密度太低，空間就是開(kāi)放的。這樣的宇宙會(huì)永遠(yuǎn)膨脹。密度太高，空間就是封閉的。這樣的宇宙會(huì)膨脹，減速，然后收縮。如果密度正好，空間就是平坦的。這樣的空間就會(huì)膨脹，減速，最終停止。而暴漲理論計(jì)算出來(lái)的空間密度正好滿足平坦空間所需要的關(guān)鍵密度。你也許會(huì)奇怪，宇宙不是加速膨脹的嗎？這一點(diǎn)后面會(huì)解釋。

2.3 宇宙中的物質(zhì)和能量

根據(jù)廣義相對(duì)論，空間曲率是由宇宙中的物質(zhì)/能量密度決定的。如果能夠估算出可觀察宇宙中的能量總數(shù)，而且這個(gè)總數(shù)與平坦宇宙的計(jì)算結(jié)果相符，這無(wú)疑又是另一個(gè)對(duì)平坦宇宙的有力支持。然而，當(dāng)觀察和計(jì)算的結(jié)果表明，宇宙中的物質(zhì)，包括所有的普通物質(zhì)和暗物質(zhì)，只有物理學(xué)家期望的31.7%。剩下的部分在哪里呢？

現(xiàn)在，多數(shù)物理學(xué)家接受的一種假說(shuō)是，宇宙中總能量的68.3%是目前不能認(rèn)識(shí)的一種能量，所以被稱(chēng)為暗能量。它的密度遠(yuǎn)低于普通物質(zhì)和暗物質(zhì)，但是由于它充斥了整個(gè)宇宙空間，所以稱(chēng)為了宇宙中的主導(dǎo)性能量。物理學(xué)家建立了不同的模型來(lái)描述暗能量。在這些模型中，暗能量能產(chǎn)生一個(gè)向外的壓力，推動(dòng)空間膨脹。暗能量假說(shuō)達(dá)到了兩個(gè)目的。第一，它解釋了宇宙中缺失的能量，第二，它解釋了空間的加速膨脹。由于它充滿了整個(gè)空間，所以也被描述為一種真空的能量，或者宇宙學(xué)常數(shù)。

在物理學(xué)的歷史上，宇宙學(xué)常數(shù)是一個(gè)富有戲劇性的概念。第一個(gè)提出這個(gè)概念的是愛(ài)因斯坦，他在建立廣義相對(duì)論是發(fā)現(xiàn)，按照他的計(jì)算，宇宙是動(dòng)態(tài)的，可能膨脹，也可能收縮。當(dāng)時(shí)人們的認(rèn)識(shí)是，宇宙是永恒和穩(wěn)定的。為了讓理論符合當(dāng)時(shí)的宇宙觀，愛(ài)因斯坦在公式中增加了一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)來(lái)達(dá)到靜態(tài)宇宙的目的。在哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙空間確實(shí)在膨脹之后，愛(ài)因斯坦從他的公式中去掉了這個(gè)常數(shù)，并說(shuō)，宇宙學(xué)常數(shù)是他一生最大的錯(cuò)誤。然而，20世紀(jì)90年代以來(lái)的物理學(xué)研究表明，宇宙學(xué)常數(shù)這的存在。真空中確實(shí)有一種能量，它具有負(fù)向壓力，推動(dòng)空間膨脹。愛(ài)因斯坦如果在世，不知道會(huì)作何感想。

宇宙中包含了普通物質(zhì)，暗物質(zhì)，暗能量。下圖是這些成分的比例。

雖然空間在膨脹，但是空間中的物質(zhì)并沒(méi)有跟著膨脹。太陽(yáng)沒(méi)有跟著變大；太陽(yáng)沒(méi)有遠(yuǎn)離銀河系的中心；地球沒(méi)有遠(yuǎn)離太陽(yáng)；月球也沒(méi)有....... 月球確實(shí)在遠(yuǎn)離地球，不過(guò)和空間膨脹無(wú)關(guān)。這是因?yàn)槲矬w之間的引力把它們拉在一起，所以他們之間的距離不會(huì)跟著空間膨脹而增加。然而，距離很遠(yuǎn)的物體，如星系，他們之間的引力過(guò)于微弱，不足以對(duì)抗空間膨脹，所以我們今天觀察到星系的在離我們而去，越遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離速度越快。

對(duì)于銀河系來(lái)說(shuō)，有一個(gè)例外。仙女座星系正在以每秒120公里的速度向我們飛來(lái)，預(yù)計(jì)將于30億年后和銀河系相撞，然后兩個(gè)星系會(huì)合并成一個(gè)更大的橢圓星系。不過(guò)恒星之間的碰撞多半不會(huì)發(fā)生，因?yàn)樾窍祪?nèi)的恒星太稀疏了（太陽(yáng)離最近的比鄰星4.6光年）。有的恒星可能會(huì)被甩出星系，從此獨(dú)自在宇宙中流浪。

隨著星系的遠(yuǎn)離，有一天我們將再也看不到別的星系。我們的夜空卻會(huì)更加璀璨（因?yàn)楹喜⒘讼膳窍担Ｈ欢?，空間的膨脹是加速的。到恒星之間的引力不能對(duì)抗空間膨脹的時(shí)候，星系就會(huì)分崩離析。其他的恒星都會(huì)離我們而去。夜空將會(huì)是一片黑暗，只能看見(jiàn)幾顆行星。下一步，物體間的引力都無(wú)法對(duì)抗空間膨脹的時(shí)候，宇宙中的大部分結(jié)構(gòu)都會(huì)瓦解。恒星炸得粉身碎骨，行星化為塵埃。到最后，連電磁力和強(qiáng)相互作用力也無(wú)法對(duì)抗空間膨脹，所有的物質(zhì)都會(huì)瓦解，連原子都會(huì)被撕成碎片。這個(gè)令人心寒的宇宙大結(jié)局就是物理學(xué)家設(shè)想的“大撕裂”。

宇宙的形狀尚無(wú)定論，除了平坦宇宙外其他形狀的可能性也沒(méi)有排除。如果宇宙是封閉的，物質(zhì)之間的引力可能會(huì)結(jié)束空間膨脹，然后進(jìn)入一個(gè)收縮的過(guò)程，最終回到大爆炸時(shí)的狀態(tài)。然后，就是下一次大爆炸。宇宙的生命就是這樣的膨脹-擠壓的無(wú)限循環(huán)。這種假說(shuō)叫做'大反彈“。

4. 宇宙是免費(fèi)午餐嗎？

長(zhǎng)久以來(lái)，物理學(xué)的一個(gè)難題就是”宇宙中的物質(zhì)和能量從何而來(lái)？” 這個(gè)問(wèn)題也成了神創(chuàng)論者常用的武器。他們常說(shuō)：“宇宙不是免費(fèi)的午餐。” 平坦宇宙為這個(gè)問(wèn)題提供了一個(gè)優(yōu)美的答案。

首先，我們來(lái)看看宇宙中的能量總和是多少。如果宇宙是平坦的，答案是令人驚奇的“0”。這其中的奧秘在于，引力場(chǎng)的能量是負(fù)值。簡(jiǎn)單的解釋是：如果要把一個(gè)物體從引力場(chǎng)中移動(dòng)到無(wú)窮遠(yuǎn)處（引力場(chǎng)外），需要付出能量對(duì)其做功，以抵消引力勢(shì)能。所以引力場(chǎng)的勢(shì)能是負(fù)值。

在平坦宇宙的前提下，它正好抵消掉所有的其他形式的能量（包括普通物質(zhì)，暗物質(zhì)和暗能量）。也就是說(shuō)，一個(gè)平坦的宇宙的總能量是0。一個(gè)零能量的宇宙就是免費(fèi)的午餐，它完全可以通過(guò)量子漲落從真空中自發(fā)地跳出來(lái)。

一個(gè)很有意思的事實(shí)是，現(xiàn)在多數(shù)物理學(xué)家相信宇宙是平坦，而過(guò)去很多人相信地球是平坦的。這是不是一個(gè)歷史的循環(huán)？當(dāng)然，這兩個(gè)平坦的含義是不一樣的。