宇宙到底有多大，是由什么构成的？宇宙之外又是什么？

对于宇宙到底有多大，是由什么构成的？宇宙之外是什么呢之话题，我个人观点认为，宇宙是无限空间与无穷物质客观存在的自然天体，是无边无际的太空无限延伸的情况，它是一种学术概念，不存在大小的问题；其次，宇宙是由数之不尽的恒星及其恒星系所构成，数之不尽的恒星系是组成宇宙单元细胞的实体表现，都是由可视见物质和不可视见物质两大类所构成，可视见物质也分为无机与有机两类型，不可视见的物质也主要分为磁性物质和暗物质两种形态。上述物质都可以统称为：自然定体物质。所有可视见的自然定体物质，都含有二氧化碳、氮、水(氢氧)和有毒化学物四种基本物质元素。还有，宇宙无限空间的概念，只有之内或之中，是没有之外的情况，因为，宇宙是包罗万象无限太空的一切。不知这样的回答是否准确？！如读者阅后觉得我说的对，希给个点赞并关注我，欢迎大家加入相关讨论和学习。宇明于东莞市。(注：原创作品，版权所有，抄袭必究。)

关于万物的起源，在历来的发现中，宇宙的膨胀也许是其中最重要的一项了。如果宇宙未曾膨胀，你就不会在这里看这篇文章，因为人类根本就不存在。从炽热的大霹雳所诞生的宇宙，若非经由膨胀而逐渐冷却，诸如生命和类地行星等由冷分子所构成的东西，就不可能形成。宇宙中所有结构的形成，从星系、恒星到行星，甚至《科学人》杂志，全都得仰赖宇宙的膨胀。在40年前的那个7月，科学家宣布他们找到了确切的证据，可以证明宇宙是从一个高热、高密度的太初状态，逐渐膨胀而成。他们发现的是大霹雳冷却后的余晖：宇宙微波背景辐射。自此之后，宇宙的膨胀与冷却便成了宇宙学中的主要论点，就如同达尔文的演化论是生物学的主流思想一样。宇宙的膨胀就像达尔文的演化论，对于简单的结构如何逐步发展形成复杂的结构，提供了可循的脉络。没有了演化论和宇宙膨胀，现代生物学和宇宙学几乎就没什么意义可言了。宇宙的膨胀和达尔文的演化论，还有着另一个古怪的相似处：大部份科学家都认为他们了解这个理论，可是对其真正的涵义，却很少意见一致。在《物种起源》出版了一个半世纪后，生物学家还在争论达尔文主义的机制与含意（而不是实际内容），而大多数人也还在为前达尔文时期的漫无头绪而焦躁彷徨。同样地，距离最初的发现已经75年了，宇宙的膨胀还是广遭误解。曾经参与解释宇宙微波背景辐射的著名宇宙学家、美国普林斯顿大学的皮伯斯（James Peebles），在1993年写道：「这个图像（热大霹雳模型）的完整内容及深度，并不如我所以为的那样得到充份理解，即便是在某些对此思潮具有启发性贡献的人身上，也是一样。」「膨胀中的气球」对于要了解宇宙的膨胀来说，是个很好的比喻。在气球表面的星系，其实是静止的，但随着宇宙的膨胀，任两个星系间的距离却增加了。至于星系本身的大小则没有增加。大霹雳是空间本身的爆炸。我们所在的空间本身在膨胀。这种爆炸没有中心，且在各处发生。密度与压力到处都一样，因此并不像一般的爆炸是藉由压力差来驱动。有声望的物理学家、天文学课本的作者，以及著名的科普专家，都曾对宇宙的膨胀做出不正确、误导的，或是容易遭到错误解读的陈述。由于膨胀是大霹雳模型的基础，这些其实都是对于基本原理的误解。膨胀是一种很容易让人接受的简单概念，但是当我们说宇宙正在膨胀时，真正的意思到底是什么？它要膨胀成什么样子？地球也在膨胀吗？更教人迷糊的是，现今宇宙的膨胀似乎正在加速之中，这真是让人连脑子也一起跟着膨胀。膨胀究竟是什么？当某个日常熟悉的物体扩张，如扭伤的脚踝、罗马帝国，或是一颗炸弹，是因为膨胀至周围的空间而变大。脚踝、帝国和炸弹都有中心和边界。在边界之外，有个空间可以让它膨胀。但宇宙似乎并没有什么边缘、中心，或宇宙之「外」可言，那么它要如何膨胀呢？一个很好的比喻是，想像你是一只蚂蚁，生活在一个膨胀中的气球表面。你的世界是二维的；你只知道前后、左右这几个方向而已，全然没有「上」和「下」的观念。有天你忽然意识到，走去蚜虫牧场挤奶的路途，怎么一天比一天远：某天要五分钟，第二天要六分钟，再过一天又变成七分钟。而且前往其他熟悉的地点，所需要的时间也在增加。你很确定你行走的速度没有变慢，也确定蚜虫是一群群随处圈养的，它们并没有串通好要一起远离你。这就是重点了：蚜虫没有乱跑，可是要去挤奶的距离仍然不断增加。它们就站在那儿不动，对气球的橡皮表面而言，它们是静止的，可是你和它们的距离，以及它们彼此之间的距离，却因为气球的膨胀而增加。察觉到这些事实后，你推论出，原来是脚下踩的土地正在膨胀。这话说来很奇怪，因为你已经走遍你的世界，却从没发现有什么边界或是「世界之外」，可供你的世界向外膨胀。狭义相对论并不适用于远离速度。在膨胀的空间中，远离速度随着距离的增加而不断加快。到某个叫做哈伯距离的距离之外，就比光速还快了。这并不违背相对论，因为远离速度并不是由穿越空间的运动所产生，而是来自空间本身的膨胀。宇宙的膨胀和气球的膨胀很像。我们与遥远星系的距离正不断地增加。天文学家常会脱口而出，说遥远的星系正在「后退」或是「远离」我们，不过那些星系不是大炸弹爆炸所产生的碎片，它们并没有穿越空间而远离我们，而是星系和我们之间的空间在膨胀。个别星系在所属的星系团内随处移动，但星系团本质上是静止的。「静止」这个字眼可以严格地定义。充塞于宇宙中的微波背景辐射，就如同气球的橡皮表面一样，定义出一个普适的参考座标，相对于它的运动是可以测量的。不过这个关于气球的比喻可别引申过头了。由气球外的我们看来，弯曲的二维橡皮面是因为摆在三维的空间中，才得以膨胀。在三维空间中，气球确实有个中心，而在它膨胀的时候，表面也是向周围的空间扩张出去的。所以有人也许会急着下断语说，我们所处的三维空间，要膨胀就要有第四个维度存在。不过在近代宇宙学的基础──爱因斯坦的广义相对论中，空间是动态的。它自己可以膨胀、收缩与弯曲，并不需要摆在一个更高维度的空间里。在此意义之下，宇宙是自给自足的。它既不需要一个中心点，来让膨胀由此开始，也不需要有外部的空间（不管在哪里），来容纳它的膨胀。当它膨胀时，并不必先要求周围要有尚未占满的空间。有些新潮的理论如弦论，的确假设了额外的维度，但是当我们的三维宇宙膨胀时，并不需要这些额外的维度供其扩张。超新星，如图中位在仙女座星系团中的这颗（箭头所指），可做为宇宙膨胀的指标。由观测超新星所得到的性质，排除了宇宙学中主张空间并没有膨胀的理论。 到处存在的宇宙大塞车就像气球表面一样，在我们的宇宙里，所有的东西彼此都在远离。因此，大霹雳不能说是一种空间中的爆炸；它比较像是空间本身的爆炸。它并不是在某个特定的位置发生，然后在某个原来便存在的空间中散开。它是同时发生在每一个地方。不妨想像一下，将时间的流向倒转，于是宇宙中的每块区域都越缩越小，所有星系越来越靠近，直到挤在一起，造成宇宙大塞车──这就回到了大霹雳。这种大塞车的比喻，也许会让你以为它是一种局部的拥塞，只要听收音机的路况报导就可以避得开。但是大霹雳是一种逃不开的塞车。它就像是把地球的表面和表面上的所有公路都同时缩小，但车子却保持原来的尺寸。最后，每条路上的车子都会头尾相接。没有任何的收音机广播可以帮助你绕过这种塞车。到处都塞成一团。同样地，大霹雳到处都在发生──在此刻你阅读本文的房间里，在半人马座α星左侧的某块区域中，在每一个地方。它并不是一个从某特定点所爆发出来的炸弹，可让我们定出爆炸的中心。而在气球的比喻中也一样，气球表面并没有一个特别的位置是膨胀的中心。不管宇宙有多大，也不管宇宙的大小是有限还是无限，大霹雳的遍存性都不受影响。宇宙学家有时会说，宇宙曾经只有一个葡萄柚那么小，但他们真正的意思是，宇宙中那个我们现在所能看得到的部份，也就是我们的可见宇宙，曾经只有葡萄柚般的大小。住在仙女座星系或更远处的观测者，也有他们各自的可见宇宙，和我们的有所重叠，却不太一样。仙女座星系的居民可以看得到我们看不见的星系，不过这只是因为他们离那些星系比我们稍微近一点所占的便宜，反之亦然。而他们的可见宇宙也曾经只有葡萄柚般的大小。因此，我们可以把早期宇宙想成是水果摊上一堆往各个方向无穷延伸的葡萄柚。而大霹雳很「小」这个观念也是会引起误会的。整个空间其实可以是无限大的。把一个无限大的空间缩小任意倍，它还是无限大的。后退得比光速还快另一类误解牵涉到对于膨胀的定量叙述。1929年，美国天文学家哈伯（Edwin Hubble）发现，星系间距离的增加率，遵守一个特殊的形式：星系远离我们的速度（v），和它与我们的距离（d）成正比，即v ＝Hd。其中的比例常数H，就是所谓的哈伯常数，它可以把空间向外延伸的快慢予以量化，不只针对我们周遭，也适用于宇宙中所有观测者的周围。有的人对于某些星系不遵守哈伯定律这件事感到困惑。事实上，最邻近我们的大型星系──仙女座星系，就是朝着我们移动，而非远离。会有这样的例外，乃是因为哈伯定律所描述的只是星系的平均行为。星系在成群的整体运动外，也可以有适度的局部运动，并受彼此间的重力牵引──银河系和仙女座星系之间就是如此。遥远的星系也会有微小的局部运动，不过从我们的观点来看（距离很远，d的值很大），这些散乱的局部速度在与极大的远离速度（v）相较之下，显得极不明显。因此对于那些星系来说，哈伯定律是相当准确的。请注意，根据哈伯定律，宇宙并不是以单一的速度膨胀。有的星系以每秒1000公里的速度远离我们，有些（距离两倍远的那些）则是每秒2000公里，以此类推。事实上哈伯定律预测，在某个距离以外的星系，后退的速度会比光速快，这个距离叫做哈伯距离。由量测到的哈伯常数值来推断，这个距离大约是140亿光年远。这个「星系比光速快」的预言，不就表示哈伯定律是错的吗？爱因斯坦的狭义相对论不是说没有任何物体的速度可以超过光速吗？这个问题困惑了一代代的莘莘学子。正确的解答是，狭义相对论只适用于「正常」定义下的速度──也就是在空间中穿梭的运动。而哈伯定律中所谓的速度，是由空间膨胀所导致的远离速度，并不是在空间中的运动。那是一种广义相对论效应，并不受狭义相对论的极限所限制。具有比光速快的远离速度，并没有违反狭义相对论。没有任何东西能跑得比光速快这件事，还是对的。拉长与冷却对于宇宙膨胀的首次观测，是在1910~30年间。就如同在实验室中所测量到的，原子会放出或吸收特定波长的光。从遥远星系传来的光，其光谱也会呈现出相同的图样，只不过这些图样会往较长的波长偏移。于是天文学家就说星系的光「红移」了。对此的解释很简单：当空间膨胀时，光波随着被拉长了。如果在光波旅行的过程中，宇宙的大小膨胀了两倍，光波的波长就会变成两倍，能量则减为二分之一。这种过程可以用温度来描述。由一个物体所发出的光子，集体而言会具有一个温度──由能量的分布可以反映出该物体有多热。当这些光子经过膨胀中的空间，它们会损失能量，温度便随之降低。经由这种方式，宇宙便会随着膨胀而冷却，就像氧气筒里的压缩空气，在释放出来时会因为膨胀而冷却一样。举例来说，目前微波背景辐射大约是绝对温度3K，而释放出这些辐射的过程却发生在3000K左右。从发出这些辐射的时间到现在，宇宙的大小已经增加为1000倍，因此光子的温度也就下降了那么多倍。经由观测遥远星系中的气体，天文学家也已经直接测量到发自远古时期的辐射温度。这些测量结果，确认了宇宙的确已随时间的流逝而冷却。关于红移与速度之间的关系，也有不少误解。膨胀所造成的红移，常会和我们比较熟悉的都卜勒效应所产生的红移搞混。如果音源正在远离，平常的都卜勒效应会导致声波的波长变长──比如说，远离中救护车的警笛声，就是个很好的例子。同样的原理也可以描述光波，假如光源穿越空间而远离我们，光波也会变长。来自远方星系的光，所发生的事情虽然很像，却不一样。宇宙学的红移并不是平常的都卜勒偏移。天文学家常常把它推给都卜勒效应，这已对他们的学生造成严重的伤害。都卜勒红移和宇宙学红移是由两个截然不同的准则所支配。前者是由狭义相对论而来，并没有考虑空间的膨胀，而后者则是来自广义相对论，已经把空间的膨胀考虑在内。对邻近的星系来说，两个方程式给出的结果几乎是一样的，可是对于遥远星系就大不相同了。根据一般的都卜勒方程式，穿越空间的物体在速度趋近光速时，红移会趋近无限大，导致它们的波长过长而观测不到。如果这对于星系也是正确的，那么天空中可见的最遥远物体，就会是那些远离速度仅仅略小于光速的天体。可是，宇宙学红移的方程式却导出了不同的结论。在目前的宇宙学标准模型中，红移在1.5左右的星系（即所发出的光，波长比实验室参考值长150%），其远离速度等于光速。可是天文学家早已观测到约1000个红移大于1.5的星系。换句话说，他们已经观测到约1000个，远离我们的速度比光速还快的物体。而相对地，我们远离那些星系的速度也比光速还快。宇宙微波背景辐射走过的距离则更远，它的红移大约是1000。当早期宇宙的热电浆发出我们现在所看到的辐射时，它正以大约50倍光速远离我们的这个位置。为保持原地而飞奔可以看见超过光速的星系，听起来很神秘，但只要膨胀速率会改变，这就有可能。想像一道比哈伯距离（140亿光年）还远的光束，正试图朝向我们行进。它相对于其周遭的空间，以光速向我们移动，而其周遭空间却以比光还快的速度远离我们。虽然那道光束尽全力以最大速度行进，还是赶不上空间伸展的速度。这有点像是在移动的电扶梯上，试着往相反方向跑的小孩一样。在哈伯距离的光子，就好比是红心皇后和爱丽丝，她们全力奔跑，只是为了能够保持在原地。所以人们也许会断言，在哈伯距离以外的光，绝对到不了我们这里，因此便永远侦测不到它们的来源。不过，哈伯距离并不是固定的，因为其所依赖的哈伯「常数」，其实会随时间而改变。说得更明白一点，哈伯常数等于将两个星系间距离的增加率，除以这两个星系之间的距离（任两个星系都可以拿来计算）。在符合观测资料的宇宙模型中，哈伯常数的分母增加得比分子还快，因此哈伯常数会变小，而哈伯距离也就越来越大。随着哈伯距离变大，本来刚好就在哈伯距离外、远离我们的光，便会逐渐进入哈伯距离的范围内。然后那些光子会发现，它们身在一个远离速度比光速慢的空间中。于是它们便能接近我们。即使如此，发出这些光子的星系，还是能够继续以超光速向后退。因此，我们可以观测到那些一向、且将永远以超光速向后退的星系。换另一种方式来说，哈伯距离不是固定的，也并不代表可见宇宙的边缘。那么，什么是可见宇宙的边缘呢？这也是常造成混淆的地方。如果空间没有膨胀，那么我们可看到的最远物体，会是现在距离我们140亿光年左右的东西，这是在大霹雳后的这140亿年中，光线所能行进的距离。不过由于宇宙在膨胀，光子之前所曾走过的空间，在其经过之后已在它背后膨胀。结果，我们可看到的最远物体，目前和我们的距离约比前述距离的三倍还来得远，也就是460亿光年。最近发现了宇宙正在加速膨胀的现象，让事情又更有趣了。之前，宇宙学家以为我们生活在一个减速膨胀的宇宙，会有越来越多的星系进入我们的视野之中。然而，在一个加速膨胀的宇宙中，我们会由一道边界所包围，在它之外所发生的事件，我们永远都看不到──这就是宇宙事件视界（cosmic event horizon）。假如要让一道后退得比光还快的星系所发出的一道光，能够到得了我们这里，哈伯距离就得增加，可是在加速的宇宙中，哈伯距离会停止增加。远方发生的事件也许会朝我们的方向发出光束，不过这道光会因为宇宙的加速膨胀，而被困在哈伯距离之外。于是，一个加速膨胀中的宇宙，就像一个黑洞般具有事件视界，在此边界之外的事物我们都看不到。目前宇宙的事件视界距离我们约160亿光年，完全在我们观测能力的范围之内。此刻已在宇宙事件视界之外的星系所发出来的光，将永远无法到达我们这里；现在相当于160亿光年的距离处，会膨胀得太快。在星系穿越出事件视界前的瞬间，我们还可以看到那些发生在其中的事件，不过接下来发生的事件，就永远在我们的视线之外了。

布鲁克林也在膨胀吗？在电影「安妮霍尔」（Annie Hall）中，年轻的伍迪艾伦所饰演的主角，向他的医师与母亲解释他为什么没有办法做功课，他说：「宇宙正在膨胀……宇宙就是一切的事物，所以要是它在膨胀，总有一天它会裂开，那就会是一切的终点！」不过这位母亲知道的更多：「你现在是在布鲁克林。布鲁克林可没在膨胀！ 」他的母亲是对的，布鲁克林没在膨胀。人们经常假设，随着空间的膨胀，空间中所有事物也都会膨胀。不过这是错的。膨胀本身，也就是既不加速也不减速的膨胀，并不会产生力量。光子的波长会随着宇宙一起扩张，是因为光子并不像原子和城市那些凝聚着的物体，是由许多作用力的协调而决定大小。膨胀率的变化确实在这许多作用力中加入一个新力量，可是就算是有这种新的力量，也不会让物体膨胀或收缩。比方说，如果地球的重力增强，你的脊椎将会受到挤压，直到你脊椎骨里的电子达到一种稍微紧密些的平衡状态为止。你会变得矮一些，不过你不会一直缩小下去。同样的道理，假如我们生活在一个由相互吸引的重力所主宰的宇宙中，就如同大部份宇宙学家直到几年前还有的旧想法一样，宇宙的膨胀就会减速，和缓地压缩宇宙中的物体，使它们达到一种比原来略小的平衡尺寸。达到这个地步，它们就不会继续缩小了。事实上，我们的宇宙正在加速膨胀，这会在物体上施加一股轻微向外的力。结果，紧密结合的物体，会比处在非加速宇宙中时还要稍微大一点，因为众多的作用力要在稍微大一些的尺度之下，才能够达成平衡。在地球表面，这种从地心朝外的加速度，与一般正常的向心重力加速度比起来，远远小得多（约为10 30分之一）。假如这种加速度的大小是固定的，那么它并不会使地球膨胀；而是会让地球稳定于一个固定的平衡尺寸，比原来应有的尺寸要稍微大了一些。

但是，如果加速度不是常数，这项推论就要有所改变了。有些宇宙学家推测，如果加速度不断增加，到最后它的强度可能会强大到足以把所有的结构都撕裂，而导致「大解体」（big rip）。不过这种解体的发生，并不是由于宇宙膨胀，或是膨胀的加速本身，而是来自膨胀加速度的逐渐增加。大霹雳模型奠基于诸多的观测结果，如宇宙的膨胀、宇宙微波背景辐射、宇宙中的化学成份，以及物质聚集的情形等。和所有的科学观念一样，有一天这个模型也可能会给取代。不过和我们现有的所有其他模型相比，它还是最符合目前数据的一个。日新月异的精密量测技术，让宇宙学家对宇宙膨胀与其加速更为了解，现在他们甚至能够追问有关宇宙的最早时期与最大尺度这类更基本的问题。是什么导致宇宙膨胀的？许多宇宙学家把它归因于一种叫做宇宙暴胀（inflation）的过程，这是加速膨胀的一种类型。不过，那只是部份的答案而已，因为要启动暴胀之前，宇宙似乎应该已经处于膨胀的状态才对。而在我们能够看得到的范围之外，最大的尺度又是什么？宇宙中不同的区域会以不同的速度膨胀吗？我们的宇宙只不过是一个大得多的多重宇宙里的一个暴胀泡泡而已吗？没有人知道。尽管还有许多的问题尚待解决，越来越多准确的观测结果指出，宇宙将会永远膨胀下去。而我们只希望，对于宇宙膨胀的困惑，可以缩得越来越小。