宇宙7问

当你身处在星空之下时，除了被震撼之外，很可能还会引发你对宇宙最深层的思考，比如宇宙有多大？它是静止的吗？如果把宇宙中所有的恒星、行星、气体等物质都加起来，会有多重？宇宙几岁了？......在本文中，我们将了解关于这些问题的已知与未知。

 宇宙几岁了？ 

一个世纪以前，如果你问宇宙学家这个问题，得到的答案很可能会是：无限！一个永恒的，静止的宇宙，很符合当时人们的想象。

然而在1920年代，勒梅特（George Lemaitre）在研究了爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论后却大胆推测，宇宙并非像过去人们所认为的是静止的，而是在膨胀！一个正在膨胀的宇宙自然意味着它有着更小的过去——宇宙始于一个“原初原子”。

在勒梅特想法的基础上，科学家建立了今天大家耳熟能详的大爆炸理论。起初，并不是所有的人都接受大爆炸这一思想，甚至连大爆炸这个名字都是由它的反对者提出的。直到1960年代，当科学家意外地发现了宇宙中可以探测到的最古老的光——宇宙微波背景（CMB）时，人们才开始接受大爆炸理论，因为这种弥漫在空间各处的微波正是大爆炸理论的一个预言。

今天，科学家通过分析CMB，计算出宇宙的年龄大约为138亿年。然而，这个数字仍然具有一些不确定性，因为这个数字与宇宙的膨胀率有关，但目前宇宙学家仍无法对宇宙究竟膨胀得有多快达成一致（见问3）。

 宇宙有多大？

从某种角度来看，宇宙的边缘其实是很容易标记出来的：它是一束光自时间的开端以来所能传播的距离。在我们所谓的可观测宇宙之外的任何事物都是不可观测的。

那么，你很可能会猜测，可观测宇宙的半径就是宇宙的年龄（138亿年）乘以光速，即138亿光年。但我们知道，空间实际上是在不断延伸的，这延长了光束的旅途。根据宇宙距离阶梯，就可计算出可观测宇宙的半径约为465亿光年。

 天文学家会通过宇宙距离阶梯来估算天体的距离：1. 天文学家通过视差法来计算银河系中造父变星的距离，造父变星变明或变暗与它们的内禀亮度有关；2. 天文学家会在那些包含Ia型超新星的邻近星系中寻找造父变星。将这些造父变星的亮度与银河系中的那些造父变星的亮度进行比较，就可以估算出邻近星系的距离；3. Ia型超新星会爆发出相似的能量，所以有相似的内禀亮度。在那些遥远的星系中寻找Ia型超新星，并将它们的亮度与邻近星系中的进行比较，就可以得出遥远星系的距离。由于这些遥远星系发出的光会因宇宙的膨胀而被拉伸，或说红移。通过比较红移和通过其他方法测量的距离，就可以估算宇宙的膨胀率；4. 通过估算出的宇宙膨胀率和已知最遥远星系的距离，就可以推算出可观测宇宙的边缘。| 图片素材来源：NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU) https://esahubble.org/images/heic1611a/

 宇宙膨胀的有多快？

1929年，哈勃（Edwin Hubble）的观测表明，距离我们越远的星系远离我们的速度越快。在他提出的定律（如今被称为哈勃-勒梅特定律）中，有一个重要的常数被称为哈勃常数，它描述了今天宇宙的膨胀率。

起初，哈勃给出的哈勃常数的值约为500km/s/Mpc，从这一数值推断出的宇宙年龄仅为20亿年，这比地球还要年轻。如今，随着我们对宇宙有了更深刻的了解，以及技术的不断进步，我们已经能够越来越精确地测量哈勃常数。

今天，宇宙学家会通过两种方法来计算哈勃常数的值：一种是基于来自早期宇宙的数据，即上文提到的CMB；另一种则是基于问2中提到的宇宙距离阶梯。然而，出乎意料的是，这两种方法给出的哈勃常数却不吻合：

 通过两种不同的方法所测得的哈勃常数具有约9%的差异。

尽管宇宙学家改进了计算，并更好地考虑了可能的误差来源，但差异仍然存在。这是否意味着目前宇宙学的标准模型存在问题，需要被改进？我们不知道，宇宙学家目前正绞尽脑汁的想要找出可能的问题，也尝试用不同的方法进行观测（详见：《宇宙究竟膨胀的有多快？》）。

 宇宙有多重？

宇宙中除了可见的恒星、行星等天体之外，其实还包含了大量不可见的暗物质。之所以被称为暗物质是因为它不与光相互作用。暗物质是宇宙学标准模型的一部分，它被用以解释星系和星系团是如何聚集在一起的，因为根据观测结果来看，仅靠可见的普通物质所提供的引力是不足以完成这一任务的。

虽然我们还没有发现暗物质，但从CMB的温度涨落模式中，天文学家计算出了宇宙中的暗物质比重是普通物质的五倍以上。目前，我们所知道的是宇宙是由5%的普通物质、27%的暗物质和68%的暗能量（一种神秘的质量/能量形式）所构成的。

然而，最近，在8千秒差距范围内的星系聚集程度的测量中出现一个被称为Sigma-8争议的新谜题。Sigma-8这个参数的值取决于宇宙中有多少质量，因为正是这些质量产生的引力才将星系团牵引在一起。天文学家可以通过测量或通过宇宙学标准模型来预测它的值。

标准模型预测的值为0.81，但由Hendrik Hildebrandt所领导的团队在通过一种叫弱引力透镜的方法测得的值为0.74，这表明宇宙中的物质比我们使用标准模型预测的要少（详见：《一个新的宇宙学争议》）。未来，如果进一步的观测表明这个差异是真实存在的，那么我们或许真的要认真地重新思考现有的标准模型是否需要被修正。

 宇宙是什么形状的？

当宇宙学家谈论宇宙的几何时，他们指的是时空的整体形状。根据爱因斯坦的广义相对论，空间本身是可以被质量弯曲的。因此，想要知道宇宙的形状，关键在于测量它的密度。科学家会通过比较宇宙的临界密度与实际密度，来推断宇宙的形状：

• 开放：实际密度<临界密度，宇宙中没有足够的物质来阻止宇宙的膨胀，宇宙会永远膨胀下去。

• 平坦：实际密度=临界密度，宇宙恰好包含了足够的质量使膨胀停止。

• 闭合：实际密度>临界密度，宇宙包含足够多的质量来阻止膨胀。

目前，大多数的观测都表明宇宙是平坦的。在一项最新的研究中，天文学家在分析了最新的CMB数据后发现，结果支持了“宇宙是闭合”的观点（详见：《宇宙究竟是什么形状的？》）。尽管如此，大多数人认为这个例外很可能是某些误差或某些其他原因所造成的，将随着进一步的调查而消失。

 宇宙的命运是什么？

在科学家发现暗能量之前，宇宙的结局只取决于几何学：一个闭合的宇宙意味着宇宙会在“大挤压”中终结，一个开放的宇宙则意味着它会永远膨胀。现在，由于暗能量的存在，宇宙学标准模型认为我们生活在一个平坦的宇宙中，会永远膨胀下去。

但问题是，我们对暗能量的本质一无所知。如果暗能量是个不会随时间改变的常数，那么宇宙的膨胀最终会变成恒定的，星系团之间会彼此离得越来越远。这种情况被称为大冻结，所有的恒星最终都会死亡，宇宙中剩余的物质温度会趋于平衡。在没有温度差异的情况下，能量无法流动，所有一切有趣的事物都将不会发生。但如果暗能量不断增强，宇宙将不断加速膨胀，最终宇宙会迎来大撕裂。原本由引力束缚住的系统将被暗能量拉开。

 只有一个宇宙吗？

在大爆炸后，宇宙经历了一次指数式的膨胀，被称为暴胀时期。一些理论家认为，暴胀一旦开始，就不会真正结束，新的泡泡宇宙总是在诞生。每一个宇宙都会遵从不会的物理学定律，也拥有不同的自然常数的值。

有没有可能在另一个宇宙中，也存在着另一个“你”？我们不知道，但无论身在哪个宇宙，我们都希望在新的一年中的每一天，你都开心快乐，以积极的态度面对一切挑战。

选题来源：New Scientist