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(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題”。天文物理學(xué)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，宇宙從哪里來等等。不過，你將在這里看到的答案，不會是42。

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(guān)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，由于物質(zhì)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(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)體系中稱為萬有引力。下圖用二維平面來類比，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(chuàng)立的平面幾何來分析。歐式幾何是一個偉大的創(chuàng)舉，它以5條公設(shè)（公理）為基礎(chǔ)，以邏輯為工具，建立起了一個結(jié)構(gòu)嚴(yán)密的龐大數(shù)學(xué)體系，開創(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(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(shè)為基礎(chǔ)，可以推導(dǎo)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(nèi)角和小于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(shè)為基礎(chǔ)，可以推導(dǎo)出橢圓幾何（下圖中的第一個曲面）。在這個體系中，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，則空間是開放的，三角形內(nèi)角和小于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(xiàn)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于0的開放空間無疑是沒有盡頭的，它們都是無限大的。那么封閉的空間有沒有盡頭呢？我們?nèi)匀挥枚S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，最后會回到出發(fā)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(fā)出的光環(huán)繞宇宙一周又回到了原點）。

到這里，這個問題的答案已經(jīng)出來了。無論宇宙是什么形狀，都是沒有盡頭的。但是，上面的回答提出了新的問題：宇宙是什么形狀的？ 這個問題現(xiàn)在還沒有確定的答案。多數(shù)物理學(xué)家接受的觀點是：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(chǎn)生于宇宙大爆炸后的38萬年，當(dāng)時強烈的輻射彌漫了整個宇宙空間。經(jīng)過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。當(dāng)你把電視機調(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)生機制，由此可以算出顏色區(qū)域的真實大小。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(qū)域在從地球觀察，視角應(yīng)該是1度；如果宇宙是開放的，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鏡，將會帶來更精確的結(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。暴漲理論是對宇宙大爆炸理論的擴展。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，那么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，我們的宇宙起源于一個密度無限大，溫度無限高的狀態(tài)，經(jīng)過不同階段的膨脹形成的。這個開始的狀態(tài)被稱為Singularity，奇點。

這里我們要澄清一些常見的誤解?！按蟊ā边@個名字無疑很吸引眼球，但是它并沒有很好的解釋這個理論。事實上，宇宙并沒有發(fā)生爆炸，而是空間膨脹。奇點這個詞誤導(dǎo)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，宇宙的起源并不是一個這樣的點，而是一個高密度，高溫的狀態(tài)。

大爆炸理論是對空間膨脹的一個符合邏輯的推導(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：無法解釋為什么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里，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”。早期的膨脹是快于光速的，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(jié)構(gòu)。那么，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(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。早期宇宙有過一段大小穩(wěn)定的高溫高密度時期，在這段時間內(nèi)，宇宙達到了一個均勻分布的結(jié)構(gòu)。接著，宇宙的尺度暴漲，在秒內(nèi)，體積增長了倍。在暴漲后的階段，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(chǎn)生排斥的效果。

暴漲理論的一個推論是，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，然后收縮。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(guān)鍵密度。你也許會奇怪，宇宙不是加速膨脹的嗎？這一點后面會解釋。

2.3 宇宙中的物質(zhì)和能量

根據(jù)廣義相對論，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)，而且這個總數(shù)與平坦宇宙的計算結(jié)果相符，這無疑又是另一個對平坦宇宙的有力支持。然而，當(dāng)觀察和計算的結(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。它的密度遠低于普通物質(zhì)和暗物質(zhì)，但是由于它充斥了整個宇宙空間，所以稱為了宇宙中的主導(dǎo)性能量。物理學(xué)家建立了不同的模型來描述暗能量。在這些模型中，暗能量能產(chǎn)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。由于它充滿了整個空間，所以也被描述為一種真空的能量，或者宇宙學(xué)常數(shù)。

在物理學(xué)的歷史上，宇宙學(xué)常數(shù)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(fā)現(xiàn)，按照他的計算，宇宙是動態(tài)的，可能膨脹，也可能收縮。當(dāng)時人們的認識是，宇宙是永恒和穩(wěn)定的。為了讓理論符合當(dāng)時的宇宙觀，愛因斯坦在公式中增加了一個宇宙學(xué)常數(shù)來達到靜態(tài)宇宙的目的。在哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙空間確實在膨脹之后，愛因斯坦從他的公式中去掉了這個常數(shù)，并說，宇宙學(xué)常數(shù)是他一生最大的錯誤。然而，20世紀(jì)90年代以來的物理學(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(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(guān)。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，他們之間的引力過于微弱，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。

對于銀河系來說，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(yù)計將于30億年后和銀河系相撞，然后兩個星系會合并成一個更大的橢圓星系。不過恒星之間的碰撞多半不會發(fā)生，因為星系內(nèi)的恒星太稀疏了（太陽離最近的比鄰星4.6光年）。有的恒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。到恒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。其他的恒星都會離我們而去。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(jié)構(gòu)都會瓦解。恒星炸得粉身碎骨，行星化為塵埃。到最后，連電磁力和強相互作用力也無法對抗空間膨脹，所有的物質(zhì)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(jié)局就是物理學(xué)家設(shè)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(zhì)之間的引力可能會結(jié)束空間膨脹，然后進入一個收縮的過程，最終回到大爆炸時的狀態(tài)。然后，就是下一次大爆炸。宇宙的生命就是這樣的膨脹-擠壓的無限循環(huán)。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(xué)的一個難題就是”宇宙中的物質(zhì)和能量從何而來？” 這個問題也成了神創(chuàng)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(yōu)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”。這其中的奧秘在于，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(zhì)，暗物質(zhì)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(fā)地跳出來。

一個很有意思的事實是，現(xiàn)在多數(shù)物理學(xué)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(huán)？當(dāng)然，這兩個平坦的含義是不一樣的。