宇宙是否有盡頭？如果有那麼盡頭之外又是什麼？

宇宙是否有盡頭，其實這個問題不難回答。然而重要的是，從這個問題，我們可以延伸到對宇宙更深層次的思考，進而尋求宇宙的終極問題的答案。 道格拉斯.亞當斯在《銀河系漫遊指南》中提出了「宇宙，生命和一切的終極問題」。天文物理學的最新進展讓我們可以從宇宙這一部分開始回答這個終極問題了，比如宇宙的形狀，宇宙的終極命運，宇宙從哪裡來等等。

為了避免偏題，我們還是先來回答問題「宇宙有沒有盡頭」。這個問題和宇宙的形狀是密切相關的。知道了宇宙的形狀，是否有盡頭的問題也就迎刃而解了。我們就從宇宙的形狀開始吧。

1. 宇宙的幾何形狀

宇宙是一個三維空間。廣義相對論告訴我們，由於物質和能量的存在，空間是可以彎曲的（實際上，我們可以只說能量，因為物質本質上就是能量 質量是什麼？ - Mandelbrot 的回答）。這種空間的彎曲，在牛頓的經典力學體系中稱為萬有引力。下圖用二維平面來類比，表現大質量天體造成的空間彎曲。

空間的曲率可以是正，負或者零（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像出一個彎曲的三維空間，所以就用二維空間來做一個類比的討論吧。 二維平面上的幾何問題可以用歐幾里得創立的平面幾何來分析。歐式幾何是一個偉大的創舉，它以5條公設（公理）為基礎，以邏輯為工具，建立起了一個結構嚴密的龐大數學體系，開創了數學研究的公理化方法。然而，正是歐式幾何的第五條公設，導致了非歐幾何的誕生。第五公設可以表述為：

給定一條直線，通過此直線外的任何一點， 有且只有一條直線與之平行。

從第五公設可以推導出，三角形內角和為180度（下圖中的最下面的平面）。 後世的數學家發現，如果放棄歐式幾何的第五公設，代之以新的第五公設，可以得到完全不同但是同樣邏輯嚴密的新的幾何體系。比如：

給定一條直線，通過此直線外的任何一點， 有至少兩條直線與之平行。

以這條公設為基礎，可以推導出雙曲面幾何（下圖中的第二個曲面）。在這個體系中，三角形內角和小於180度。

給定一條直線，通過此直線外的任何一點， 沒有一條直線與之平行。

以這條公設為基礎，可以推導出橢圓幾何（下圖中的第一個曲面）。在這個體系中，三角形內角和大於180度。

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

現在回到問題上來 - 這三種空間有沒有盡頭。首先，平坦的空間和曲率小於0的開放空間無疑是沒有盡頭的，它們都是無限大的。那麼封閉的空間有沒有盡頭呢？我們仍然用二維的封閉曲面來分析。上圖中的球面是封閉曲面中的一種，它的大小是有限的，然而卻沒有邊界。比如一個人在地球表面朝一個方向走，他不會走到地球的邊界，而是會回到原點。同樣，我們知道封閉的三維空間雖然大小有限，但是它也是沒有邊界的。如果我們的宇宙是這樣一個有限而無邊的有限空間，飛船朝一個方向飛，最後會回到出發的地方。如果我們有一個足夠好的望遠鏡，可以在遠方看到自己（從我們身上發出的光環繞宇宙一周又回到了原點）。

到這裡，這個問題的答案已經出來了。無論宇宙是什麼形狀，都是沒有盡頭的。但是，上面的回答提出了新的問題：宇宙是什麼形狀的？ 這個問題現在還沒有確定的答案。多數物理學家接受的觀點是：宇宙很可能是平坦的。這一假設有它的理論和觀察依據。

2. 平坦的宇宙

平坦宇宙的觀察證據

我們先來看支持平坦宇宙的觀察結果。在不同曲率的空間中，三角形內角和是不一樣的。為了觀察空間的曲率，我們需要在宇宙中找到一個足夠大的，跨越整個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。

微波背景輻射產生於宇宙大爆炸後的38萬年，當時強烈的輻射瀰漫了整個宇宙空間。經過137億年的空間膨脹，這些輻射的能量已經紅移成了微波。能夠接受微波的天線都可受到它的信號。當你把電視機調到沒有頻道的頻率，你看到的雜訊就有一部分是宇宙大爆炸的餘暉。下圖是NASA用高精度的WMAP望遠鏡繪製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（小於千分之一）。物理學家理解這些差異的產生機制，由此可以算出顏色區域的真實大小。根據空間膨脹的速度，可以知道背景輻射的距離。這樣，一個跨越可觀察宇宙的三角形就可以畫出來了。如果宇宙是平的，這樣一個區域在從地球觀察，視角應該是1度；如果宇宙是開放的，視角應該小於1度；如果宇宙是封閉的，視角應該大於1度

觀察的結果是，在誤差範圍內，視角非常接近1度。這個結果表明，宇宙很可能在大尺度上是平坦的。NASA發射了新的普朗克望遠鏡，將會帶來更精確的結果。

平坦宇宙的理論依據

平坦宇宙的理論依據是宇宙暴漲理論。暴漲理論是對宇宙大爆炸理論的擴展。1929年哈勃發現宇宙中的星系都在離我們而去，而且距離我們越遠的星系，遠離速度越快。從此人們認識到了宇宙空間在不斷膨脹。很自然的，人們回想，如果把時間回放，那麼空間就是不斷收縮的。追溯到137億年前，我們的可見宇宙就是一個無窮小的點。這樣宇宙大爆炸理論就誕生了。大爆炸理論認為，我們的宇宙起源於一個密度無限大，溫度無限高的狀態，經過不同階段的膨脹形成的。這個開始的狀態被稱為Singularity，奇點。

這裡我們要澄清一些常見的誤解。「大爆炸」這個名字無疑很吸引眼球，但是它並沒有很好的解釋這個理論。事實上，宇宙並沒有發生爆炸，而是空間膨脹。奇點這個詞誤導性更強，從字面上看是一個無窮小的點，而事實上這個詞用在黑洞中也確實是只一個無窮小的點。但是，宇宙的起源並不是一個這樣的點，而是一個高密度，高溫的狀態。

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

如果你把不同顏色放進水裡，你會看到上圖中的情景。多等一會，水和顏料有時間互相交流，顏色就會均勻的混合起來，你就只會看到一種顏色。但是大爆炸中的高速空間膨脹沒有時間「多等一會」。早期的膨脹是快於光速的，連光也沒有時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構。那麼，大尺度上的均勻分布就成了大爆炸理論無法解釋的難題。 美國物理學家阿蘭 古斯提出的暴漲理論從一種全新的角度解釋了大爆炸。早期宇宙有過一段大小穩定的高溫高密度時期，在這段時間內，宇宙達到了一個均勻分布的結構。接著，宇宙的尺度暴漲，在秒內，體積增長了倍。在暴漲後的階段，宇宙也增長了倍，但是用了137億年。而暴漲的動力，你肯定想不到，是引力。在特定的條件下，廣義相對論允許引力產生排斥的效果。 暴漲理論的一個推論是，宇宙是平坦的。空間的曲率有物質密度決定。密度太低，空間就是開放的。這樣的宇宙會永遠膨脹。密度太高，空間就是封閉的。這樣的宇宙會膨脹，減速，然後收縮。如果密度正好，空間就是平坦的。這樣的空間就會膨脹，減速，最終停止。而暴漲理論計算出來的空間密度正好滿足平坦空間所需要的關鍵密度。你也許會奇怪，宇宙不是加速膨脹的嗎？這一點後面會解釋。

宇宙中的物質和能量

根據廣義相對論，空間曲率是由宇宙中的物質/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，而且這個總數與平坦宇宙的計算結果相符，這無疑又是另一個對平坦宇宙的有力支持。然而，當觀察和計算的結果表明，宇宙中的物質，包括所有的普通物質和暗物質（為什麼科學家要假設存在暗物質？ - Mandelbrot 的回答），只有物理學家期望的31.7%。剩下的部分在哪裡呢？

現在，多數物理學家接受的一種假說是，宇宙中總能量的68.3%是目前不能認識的一種能量，所以被稱為暗能量。它的密度遠低於普通物質和暗物質，但是由於它充斥了整個宇宙空間，所以稱為了宇宙中的主導性能量。物理學家建立了不同的模型來描述暗能量。在這些模型中，暗能量能產生一個向外的壓力，推動空間膨脹。暗能量假說達到了兩個目的。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。由於它充滿了整個空間，所以也被描述為一種真空的能量，或者宇宙學常數。

在物理學的歷史上，宇宙學常數是一個富有戲劇性的概念。第一個提出這個概念的是愛因斯坦，他在建立廣義相對論是發現，按照他的計算，宇宙是動態的，可能膨脹，也可能收縮。當時人們的認識是，宇宙是永恆和穩定的。為了讓理論符合當時的宇宙觀，愛因斯坦在公式中增加了一個宇宙學常數來達到靜態宇宙的目的。在哈勃發現宇宙空間確實在膨脹之後，愛因斯坦從他的公式中去掉了這個常數，並說，宇宙學常數是他一生最大的錯誤。然而，20世紀90年代以來的物理學研究表明，宇宙學常數這的存在。真空中確實有一種能量，它具有負向壓力，推動空間膨脹。愛因斯坦如果在世，不知道會作何感想。

宇宙中包含了普通物質，暗物質，暗能量。下圖是這些成分的比例。

我們周圍的世界，璀璨的恆星，浩瀚的星系以及奔波於太空的光，加起來其實只有不到5%。更多的物質和能量隱藏在一片神秘的迷霧之中。

3. 宇宙的最終命運

雖然空間在膨脹，但是空間中的物質並沒有跟著膨脹。太陽沒有跟著變大；太陽沒有遠離銀河系的中心；地球沒有遠離太陽；月球也沒有....... 月球確實在遠離地球，不過和空間膨脹無關。這是因為物體之間的引力把它們拉在一起，所以他們之間的距離不會跟著空間膨脹而增加。然而，距離很遠的物體，如星系，他們之間的引力過於微弱，不足以對抗空間膨脹，所以我們今天觀察到星系的在離我們而去，越遠的星系遠離速度越快。

對於銀河系來說，有一個例外。仙女座星系正在以每秒120公里的速度向我們飛來，預計將於30億年後和銀河系相撞，然後兩個星系會合并成一個更大的橢圓星系（看到NASA說大約37.5億年之後銀河系就會和仙女系大碰撞，最後融合，請問碰撞最先會發生什麼呢？過程？ - Mandelbrot 的回答）。不過恆星之間的碰撞多半不會發生，因為星系內的恆星太稀疏了（太陽離最近的比鄰星4.6光年）。有的恆星可能會被甩出星系，從此獨自在宇宙中流浪。

隨著星系的遠離，有一天我們將再也看不到別的星系。我們的夜空卻會更加璀璨（因為合并了仙女座星系）。然而，空間的膨脹是加速的。到恆星之間的引力不能對抗空間膨脹的時候，星系就會分崩離析。其他的恆星都會離我們而去。夜空將會是一片黑暗，只能看見幾顆行星。下一步，物體間的引力都無法對抗空間膨脹的時候，宇宙中的大部分結構都會瓦解。恆星炸得粉身碎骨，行星化為塵埃。到最後，連電磁力和強相互作用力也無法對抗空間膨脹，所有的物質都會瓦解，連原子都會被撕成碎片。這個令人心寒的宇宙大結局就是物理學家設想的「大撕裂」。

宇宙的形狀尚無定論，除了平坦宇宙外其他形狀的可能性也沒有排除。如果宇宙是封閉的，物質之間的引力可能會結束空間膨脹，然後進入一個收縮的過程，最終回到大爆炸時的狀態。然後，就是下一次大爆炸。宇宙的生命就是這樣的膨脹-擠壓的無限循環。這種假說叫做"大反彈「。

4. 宇宙是免費午餐嗎？

長久以來，物理學的一個難題就是」宇宙中的物質和能量從何而來？」 這個問題也成了神創論者常用的武器。他們常說：「宇宙不是免費的午餐。」 平坦宇宙為這個問題提供了一個優美的答案。

首先，我們來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」。這其中的奧秘在於，引力場的能量是負值。簡單的解釋是：如果要把一個物體從引力場中移動到無窮遠處（引力場外），需要付出能量對其做功，以抵消引力勢能。所以引力場的勢能是負值。

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，暗物質和暗能量）。也就是說，一個平坦的宇宙的總能量是0。一個零能量的宇宙就是免費的午餐，它完全可以通過量子漲落從真空中自發地跳出來。

一個很有意思的事實是，現在多數物理學家相信宇宙是平坦，而過去很多人相信地球是平坦的。這是不是一個歷史的循環？當然，這兩個平坦的含義是不一樣的。

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