宇宙膨胀，我们会跟着一起膨胀吗？

Daphane

来源：我是科学家iScientist ，作者张双南

很多朋友都会问下面这些问题：谁给大爆炸提供了能量？为什么没有炸出来反物质呢？大爆炸之前是什么？大爆炸的中心在哪里？宇宙的边在哪里？我们会跟着宇宙一起膨胀吗？宇宙会一直膨胀下去吗？宇宙的未来是什么？　　这些问题，有些是大家的误解，有些学术界目前也不能给出确定的回答。更重要的是，如果上网搜索，你会看到各种稀奇古怪的回答，但是在正规的天文学书里却找不到这些问题的答案，或者即使找到了，你也会被那些学术术语和复杂的公式方程吓退。
　　在这堂课里面，我将澄清一些误解，也对那些学术界一般不用通俗的语言解释甚至还没有确切答案的问题，尽量给读者做一些初步的介绍和回答，满足读者的好奇心。
　　宇宙有没有边？
　　宇宙到底有没有边？按道理说，虽然不一定看得到，但是再大的东西也得有边啊！这个问题是我在各种场合被问到的最多的问题，没有之一。提问者从6岁的孩子到已经退休的老人家，各行各业的人基本上都有。
　　在回答这个问题之前，首先我们需要定义什么是宇宙。一般来说， 我们认为宇宙就是物质世界的总和。那么在这种情况下，我如果回答宇宙有边界，那么你一定会接着问：边界外面是什么？答案是：边界外面仍然是宇宙。你如果接着问：再往外呢？答案仍然是：再往外仍然是宇宙。所以我只能回答，宇宙没有边界。
　　但是这个回答你肯定不会满意：没有边界不就意味着宇宙是无穷大了吗？没错，这就是当前学术界的标准回答。然而，爱因斯坦当年就是不相信宇宙是无限的，但是他也不认为宇宙有边界，那怎么办？爱因斯坦当然不会被这个问题难住，他认为我们的宇宙是有限无界的。
　　什么是有限无界？比如，一只蚂蚁在一个很大的球面上，它无论如何也找不到这个球面的边界，但是很显然，这个球面是有限的，因为它是闭合的。同样的道理，如果我们的宇宙是一个闭合的宇宙，我们就不可能找到宇宙的边界，但是这个宇宙仍然是有限的。比如，有一个很漂亮的宇宙模型认为，我们的宇宙就是一个巨大的四维黑洞的三维视界面， 当然就是有限无界的，当然就没有边，也没有宇宙的外面这个概念了。

有一个很漂亮的宇宙模型认为，我们的宇宙就是一个巨大的四维黑洞的三维视界面 | Science Photo Library， Victor de Schwanberg


　　那么，我们的宇宙是闭合的吗？这个问题就是科学研究可以回答的了：根据爱因斯坦的广义相对论，宇宙是否闭合取决于宇宙的平均密度， 密度高于一定的值，空间的弯曲就类似一个球面，所以可以闭合起来；密度低于一定的值，空间的弯曲就类似一个马鞍形，不能合拢。而这个值恰好就是前面所说的临界密度，当宇宙平均密度等于这个值的时候， 空间就恰好是平坦的，对应于欧几里得几何描述的空间，也叫作闵可夫斯基空间。


宇宙的三种可能的几何形状。图中蓝色的线表示局部平行的光线。 | astronomy.swin.edu.au


　　所以，如果能够精确测量宇宙的平均密度，也包括宇宙的所有能量， 那么就可以根据广义相对论确定我们的宇宙是否是闭合的。现在的观测结果告诉我们，宇宙的平均密度极为接近临界密度，但是在目前的测量精度范围内，既不能完全排除宇宙是闭合的，也不能确定宇宙就是开放的，只能等待未来更高精度的测量结果。利用宇宙微波背景辐射对宇宙大尺度空间的测量结果也表明，在目前的测量精度范围之内，宇宙是平坦的，尽管也不能完全排除宇宙是开放的还是闭合的。


研究人员进行中微子探测实验|东京大学

　　因此，尽管爱因斯坦不相信宇宙会是无限的，但是目前的科学研究并不能给出明确答案，这就是科学和哲学的区别。科学需要证据，而哲学只需要理性思考。
　　我们会跟着宇宙一起膨胀吗？
　　既然宇宙正在膨胀中，那么宇宙中的各个天体，乃至我们人类自己， 是不是也在跟着宇宙膨胀不断变大？
　　这实际上是一个非常严肃的科学问题，我和我的一个研究生就曾经认真地研究过。对这个问题的标准和主流的回答是：膨胀的是空间，不是空间中的物体，包括所有的天体和人类。
　　我前面在解释哈勃定律的时候，就用了烤面包的时候在里面放一些葡萄干作为例子，说明是面包在膨胀导致了葡萄干之间的距离变化的速度恰好满足了哈勃定律。就像葡萄干自己并没有在面包里面跑一样，其实宇宙中的天体也没有在宇宙中跑，实际上是空间本身膨胀了，与面包本身膨胀了是一个道理。


那么，怎么理解宇宙膨胀过程中天体的大小不变呢？如果宇宙膨胀中只有万有引力在起作用，膨胀的起源是大爆炸，那么大爆炸之后，一旦形成了天体，天体之间的距离就只能增加，天体的大小的确不会变化， 就像在地球表面往上扔一块石头，石头在向上飞的过程中大小是不会变化的，当然我们这里忽略了石头和空气的摩擦作用。但是，自从1998 年发现宇宙加速膨胀之后，上面的标准和主流的回答就需要修改了，这就是我和我的一个研究生曾经研究过的问题。目前对于宇宙加速膨胀的最主流解释就是存在暗能量，暗能量使得天体之间有了一种目前未知的排斥力。暗能量在宇宙中均匀分布且其密度不随宇宙的膨胀而变化， 导致在今天的宇宙中遥远星系之间的排斥力就开始克服了它们之间的万有引力，使得今天宇宙中星系的膨胀速度变快了。
　　既然暗能量在宇宙中均匀分布，它就会在所有的地方都起作用，比如在我们的身体里面也会导致原子之间有排斥力，我们就有可能变大。


暗能量让宇宙加速膨胀|《极简天文课》


　　多年前当刚刚发现宇宙加速膨胀的时候，我和我的一个研究生就计算了这个效应，计算结果是：在目前的情况下，不但这个排斥力对我们身体的影响比起生物学效应来说完全可以忽略不计，即使对于整个太阳系的影响也完全小于太阳本身的演化带来的影响。
　　但是，今天这个效应可以忽略，并不表明这个效应永远可以忽略，这取决于暗能量的性质。在有些模型中，比如暗能量密度随时间增加，那么暗能量不仅仅会让人变大，而且有可能把我们身体里面的原子都撕碎，出现所谓的“大撕裂”现象。由于我们目前还不理解暗能量的性质，所以我们现在真的不知道在遥远的未来，宇宙的膨胀会对人类产生什么影响。
　　宇宙会一直膨胀下去吗？
　　了解了宇宙的过去和现在，很显然我们会问，宇宙会一直膨胀下去吗？宇宙未来的命运会是怎样的？实际上，科学界现在并不能确切地回答这些问题，目前只能给出几种宇宙未来可能的模式，而起决定性作用的就是宇宙中的总物质和能量密度，以及暗能量的性质。
　　比如说，我们在地球上向上扔一个球，如果初始速度低，球就会落回来，恰好能够让球不落回来的速度取决于地球的质量，也就是对应地球半径的球以内的平均密度。用同样的办法来计算，让今天宇宙中的天体能够恰好一直相互分离而不回落，所要求的宇宙的密度就是临界密度， 只不过在广义相对论的框架中，物质、能量和压力都会产生引力，因此计算得到的密度是总的密度。


我们在地球上向上扔一个球，如果初始速度低，球就会落回来|Pixabay


简单地来讲，如果宇宙的总密度大于临界密度，我们的宇宙将来的膨胀就会最终停止，宇宙就会坍缩，会重新回到一个起点。
　　如果宇宙的总密度恰好等于临界密度，宇宙就会一直膨胀下去，在无限远的未来才会停下来。目前宇宙的总密度看来非常接近临界密度， 所以这很可能就是宇宙的未来。
　　但是，如果宇宙的总密度稍微小于临界密度，那么宇宙的膨胀即使在无穷远的未来也不会停下来。在这种情况下，如果暗能量的密度保持为常数，目前宇宙的加速膨胀就会继续下去，膨胀得越来越快，星系和星系之间的分离速度越来越快，以至于最后我们看不到宇宙中其他的星系。
　　这还不是最可怕的，最可怕的是前面提到的大撕裂的情况。如果暗能量的密度随时间而增加，未来的宇宙就会出现大撕裂。大撕裂的意思是说不仅仅星系和星系之间的距离会变得越来越远，星系里面的每个天体之间的距离也会变得越来越远，星系会被撕裂。甚至组成我们身体的原子都会被撕裂开，所以这是一种非常不好的情况，真的不希望会发生。