撰文：王一 （香港科技大学物理学系）
宇宙
庄子、爱因斯坦和哈勃
自人类第一次仰望星空，便开始了对宇宙的探索。 “宇宙”一词，可以追溯到战国时期，庄子说：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”也就是说，宇宙就是上下四方所有的空间，古今所有的时间，以及这时空中发生的一切。
这个概念令人敬畏。宇宙本身，是这个宇宙中最复杂的物体。因为一切其它的复杂性都包含在其中。可是，爱因斯坦说，世界上最难理解的事，就是这个世界居然是可以理解的。 宇宙的复杂，并不妨碍我们把宇宙作为整体来研究。这种研究就是宇宙学。
现代宇宙学起源于爱因斯坦。对宇宙，爱因斯坦做了三件事:
建立了广义相对论。此前，人们尝试用牛顿的万有引力理论理解宇宙时，总是不可避免陷入各种佯谬。比如牛顿的引力瞬间就可以传遍宇宙。这样，你漂浮在宇宙空间中，会不会受到力，要取决于离你无穷远的地方，星系如何分布和运动。而广义相对论中，引力像电磁力一样，其变化受到光速制约。所以不用讨论无限，我们就能科学地研究宇宙。
提出了宇宙学原理：当我们谈论很大的距离，宇宙中的物质分布大致是均匀的， 并且没有一个特殊方向。其实，在爱因斯坦提出宇宙学原理时，哈勃还没有从观测上证明银河系只是众多星系中的一员（尽管此前已有关于河外星系的猜测）。宇宙学原理当时看来简直像只“真空中的球形鸡”。而现在，我们发现宇宙学原理居然是正确的！这个假设把宇宙中最复杂的宇宙简化成了一个可以研究的物体。
应用宇宙学原理，解出爱因斯坦场方程（广义相对论的核心方程），得到宇宙的演化规律。爱因斯坦烦恼地发现，方程的解不是膨胀就是收缩，这就意味着宇宙不是静态的。为了得到一个平衡状态，他不得不修改爱因斯坦方程，加一个“宇宙常数”项。在宇宙常数的干预下，他的宇宙就可以苟且稳定了。
令爱因斯坦意想不到的是，几年后，哈勃发现，宇宙是膨胀的。空间在物质之间不断产生出来，就好比吹一个气球，气球上每两个点之间的距离不断变大。爱因斯坦懊悔地在他的方程中删除了宇宙常数，并认为引入宇宙常数是他一生中犯的最大错误。
作为宇宙学的基本观测事实，现在我们知道，宇宙是膨胀的。
视界
比永远更遥远
宇宙膨胀，物体彼此远离。换言之，如果逆着时间往前追溯，早期宇宙要比现在致密。中学物理学过，压缩气体做功，气体变热。所以早期宇宙也更热。
假如早期宇宙始终由像原子（及暗物质等）这样的物质，以及像光这样的辐射构成，那么，在有限远的过去——约138亿年前，宇宙的密度接近于无穷大。这个“由物质和辐射等构成的宇宙”的初始状态，叫做“热大爆炸”。也就是说，从热大爆炸到现在，宇宙的“年龄” 是有限的，就是这138亿年。
我们知道，宇宙中最快的信使是光，光速有限。再加上宇宙“年龄”有限，那么，我们现在能观测到的宇宙就是有限的。可观测宇宙的半径约450亿光年。由于宇宙膨胀，这个数字大于光速乘以宇宙年龄。可观测宇宙的半径为我们（及望远镜）的视力范围提供了一个界限，我们称这个界限为“粒子视界”。
粒子视界并不是我们认识宇宙的唯一界限。我们还可以问：如果我们能等到无穷远的将来，那时，我们能观测到整个的、无限的宇宙吗？想象一下，有一颗遥远的星星，向你发出一束光。这束光跑向你，而你与光之间的宇宙空间在膨胀。这束光最终会到达你吗？如果宇宙膨胀速度不断减小，那么不管星星再远，这束光总会来。但是，如果宇宙加速膨胀呢?
宇宙加速膨胀？你可能说，这是不会发生的。牛顿说万有“引”力，物质相互吸引，怎么会彼此加速跑开？如果这样想，你可能学了假的物理学。1998 年，天文学家对超新星的研究发现，宇宙确实正在加速膨胀。足够遥远的星光确实可能永远也没法到达你。这个“遥远”的界限，就是宇宙的 “事件视界”。事件视界之外，比永远更遥远。
你可能问：既然光无法跨越宇宙膨胀，那么宇宙膨胀的速度超光速了吗？一个严肃的物理学家可能会回答：“你的问题有语法错误。” 这个语法错误是，在时空（流形）不同地点， 比较各自的速度矢量（不同的切空间）。如果我们强行定义速度为宇宙中遥远的物体距离随时间的变化，则超光速在宇宙中比比皆是。然而，对于同一个地方相对运动的两个物体，超光速则依然不可能发生。没有一个他（她）能够与你超光速擦肩而过。
除“视界”外，宇宙中亦有“听界”。早期宇宙中密度的起伏变化，如乐曲般，以声波形式传播。此间宇宙日渐稀薄冷却。在宇宙38万岁时，人散曲终。当初声波的痕迹（重子声学振荡），138亿年后，在微波背景辐射和大尺度结构中犹可追寻。白居易说：“不穷视听界，焉识宇宙广？” 宇宙视听界，我们已有了解，但当今远未穷尽。
【注】热大爆炸（有时简称“大爆炸”），这里指辐射为主的宇宙的开始，并不是时空存在的开始。所以谈论“热大爆炸之前”，并不比谈论“我上学之前”更“玄”。也有文献将时空的绝对开始称为“大爆炸”。希望读者根据上下文确定含义，不要混淆。
创世
热大爆炸之前，宇宙在暴涨吗?
现在我们知道，宇宙的年龄，为我们划定了粒子视界（我们现在能看到的范围）。而宇宙更年轻的时候，粒子视界就更小。现在可观测宇宙中遥远的地方，在宇宙更年轻的时候彼此不能看到。
那么问题来了：既然这些遥远的地方自热大爆炸以来“你不知我，我不知你”，为何这些地方有几乎同样的密度（宇宙学原理）？宇宙缘何可以像爱因斯坦般平坦、均匀和各向同性？“在昔戎戈动，今来宇宙平”。原初宇宙必有不平凡的历史。目前，原初宇宙的主流理论是暴涨理论：热大爆炸之前，宇宙曾加速膨胀。暴涨理论预言的原初扰动，已在90年代初被实验验证。
除暴涨外，一些替代理论，如弦气、反弹、火劫等，在一定假设下也可以解释目前的实验。这些替代模型中，原初宇宙具有不同的膨胀（收缩）历史。陈新刚，Namjoo和我提出[1]，早期宇宙中重粒子的量子效应可以直接探测原初宇宙的演化历史，进而在未来的实验上鉴别这些理论，追溯宇宙本源。
【注】是“暴涨”，或“暴胀”，至今一如豆腐脑的甜咸争论不休。我只是自己一直沿用一种。 希望不要因偏旁被认为水货。
末日
“问苍茫大地，谁主沉浮”?
感谢这可以理解的世界。我们无法预测人类社会百年后的形态，却可以谈论宇宙的终极未来。不必说10亿年后太阳更热，地球海洋沸腾；不必说50亿年后太阳变红巨星，地球成焦土；也不必说70亿年后银河系和仙女座合并成银河仙女。相对于无穷宇宙，这些都是 “一粟太仓中”。
自1998年以来，暗能量的发现，及其性质研究，是对宇宙终极未来的探索。最简单的暗能量模型，恰是已被爱因斯坦嫌弃的宇宙常数。如暗能量是宇宙常数，则宇宙加速膨胀永无止境。除了与银河仙女遥相吸引的几十个星系（本星系群），目前可观测宇宙中数万亿 的星系都终将远离，融化在像永远般遥远的事件视界之上。而时空几何，只向我们闪耀10的负30次方开尔文的余晖。
当然，对宇宙未来的推测是基于现在的外推。就算未来没有意外突然间发生，凭我们今天 对宇宙的了解，约百分之一的精度，我们可以谈论的，或许只是百倍于宇宙年龄的时间， 也就是万亿年的未来。万亿年太久，但宇宙学日新月异，我们已可以论万亿年于朝夕。
未知
对宇宙，我们已知甚多，而未知更多！得益于宇宙学的快速发展，我们已经身处精确宇宙学的时代。而未来十几年，实验的发展可以使宇宙学的很多关键参数，进一步获得数十倍的精度改进。“细推物理”，我们期待将很多未知变成已知。
无论宇宙源于暴涨、弦气、反弹还是火劫，无论宇宙归于大冻结、大挤压、大撕裂还是大反弹，这都是一个大时代。愿我们能尽快知悉宇宙的选择。
参考文献：
【1】 X. Chen, M. H. Namjoo and Y. Wang, “Quantum Primordial Standard Clocks,” JCAP 1602, no. 02, 013 (2016) doi:10.1088/1475-7516/2016/02/013, arXiv:1509.03930
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