宇宙和多重宇宙

　　　　一、宇宙

　　目前關(guān)于宇宙是否無限的問題還有爭議。如果整個宇宙的空間部分是有限的，那么可以用一個距離來表示。對于均勻各向同性的宇宙來說，這就是三維空間的曲率半徑。但是，即使宇宙整體是無限的，宇宙的可觀測部分仍是有限的：由于相對論限定了光速為宇宙中信息傳播的最高速度，如果一個光子從大爆炸開始傳播，到今天傳播的固有距離為137億光年，由于宇宙在膨脹，相應(yīng)的共動距離約為其3倍，具體數(shù)值與宇宙學(xué)參數(shù)有關(guān)，這一距離稱為今天宇宙的粒子視界。另一個在物理學(xué)數(shù)量級估計(jì)中常用來表示宇宙大小的距離稱為哈勃距離，是哈柏常數(shù)的倒數(shù)乘以光速，其數(shù)值約為1.29x1028厘米，也恰為137億光年?？破蘸涂萍紩兴f的宇宙的大小常指這個數(shù)值。哈柏距離可以理解為四維時空的曲率半徑。

　　宇宙的形狀是宇宙學(xué)中一個未解決的問題。用數(shù)學(xué)的語言說就是：“哪一個三維形狀才能最好地代表宇宙的空間結(jié)構(gòu)？”

　　首先，宇宙到底是不是“平坦空間”，即大范圍內(nèi)遵守歐氏幾何的空間還未清楚。目前，大部分宇宙學(xué)家認(rèn)為已知宇宙除了大質(zhì)量天體造成的局部時空褶皺，是基本平坦的－就像湖面是基本平坦但局部有水波一樣。最近威爾金森微波各向異性探測器觀測宇宙微波背景輻射的結(jié)果也肯定了這一認(rèn)識。

　　其次，宇宙是否是多重連接的尚未清楚。根據(jù)大爆炸理論宇宙是沒有空間邊界的，然而其空間大小可能是有限的。我們可以通過二維的概念類推：一個球面沒有邊界，但是它的面積是有限的（4πR2）。它是一個在三維空間有固定曲率的二維表面。數(shù)學(xué)家黎曼發(fā)現(xiàn)了四維空間中一個與此類似的三維球形“表面”，其總體積為有限（2π2R3）但三個方向都朝第四個維度彎曲。他還發(fā)現(xiàn)了一個“橢圓空間”和“圓柱形空間”，后者的圓柱形兩頭互相連接但沒有彎曲圓柱本身－這一現(xiàn)象在普通的三維空間是不可想象的。類似的數(shù)學(xué)例子還有很多。

　　如果宇宙真是有限但無邊界的話，人沿著宇宙中一條任意方向的“直線”走下去，最終會回到出發(fā)點(diǎn)，其路線長度可認(rèn)為是宇宙的“直徑”（這個直徑是現(xiàn)在人類對宇宙的認(rèn)識所無法想象的，因?yàn)樗欢ㄒ任覀兯姷挠钪娌糠执蟮枚唷＃?。哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的高清晰度深場照片，顯示姿態(tài)年齡各異的河外星系。照片片上最小，顏色最紅的屬于人類看到的最古老的星系，在宇宙年齡約8億年的時候就已經(jīng)存在。

　　宇宙有可能具有多重連接的拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)。如果這些結(jié)構(gòu)足夠小的話，人類，就如同在掛了多面鏡子的房間里，可能在不同方向看到同一天體的多個影像。而實(shí)際的天體數(shù)量就會比觀測所見少。從這個角度講，星體和星系應(yīng)該稱作“所觀的影像”才合適。這個可能至今沒有被徹底否定，但最近的宇宙微波背景輻射研究結(jié)果認(rèn)為是很不可能的。根據(jù)天文觀測和宇宙學(xué)理論，可以對可觀測宇宙未來的演化作出預(yù)言。均勻各向同性的宇宙的膨脹滿足弗里德曼方程。多年來，人們認(rèn)為，根據(jù)這一方程，物質(zhì)的引力會導(dǎo)致宇宙的膨脹減速。宇宙的最終命運(yùn)決定于物質(zhì)的多少：如果物質(zhì)密度（1）超過臨界密度，宇宙的膨脹最后會停止，并逆轉(zhuǎn)為收縮，最終形成與大爆炸相對的一個“大坍縮”（bigｃrunｃh）；如果物質(zhì)密度（2）等于或（3）低于臨界密度，則宇宙會一直膨脹下去。另外，宇宙的幾何形狀也與密度有關(guān)：如果（1）密度大于臨界密度，宇宙的幾何應(yīng)該是封閉的；如果（2）密度等于臨界密度，宇宙的幾何是平直的；如果（3）宇宙的密度小于臨界密度，宇宙的幾何是開放的。并且，宇宙的膨脹總是減速的。

　　然而，根據(jù)近年來對超新星和宇宙微波背景輻射等天文觀測，雖然物質(zhì)的密度小于臨界密度，宇宙的幾何卻是平直的，也即宇宙總密度應(yīng)該等于臨界密度。并且，膨脹正在加速。這些現(xiàn)象說明宇宙中存在著暗能量。不同于普通所說的“物質(zhì)”，暗能量產(chǎn)生的重力不是引力而是斥力。在存在暗能量的情況下，宇宙的命運(yùn)取決于暗能量的密度和性質(zhì)，宇宙的最終命運(yùn)可能是無限膨脹，漸緩膨脹趨于穩(wěn)定，或者是與大爆炸相對的一個“大坍縮”，或者也可能膨脹不斷加速，成為“大撕裂”（bigrip）。目前，由于對暗能量的性質(zhì)缺乏了解，還難以對宇宙的命運(yùn)做出肯定的預(yù)言。

　　二、多重宇宙

　　對于多重宇宙有不同的理解。一種理解是，位于可觀測宇宙之外的時空，構(gòu)成了其它的宇宙。例如，在宇宙暴漲中形成的其它大量時空，或者我們宇宙中黑洞奇點(diǎn)內(nèi)我們所無法理解的時空。這些不同的時空部分總體構(gòu)成了多重宇宙。另一種理解則強(qiáng)調(diào)這些不同的宇宙不僅僅是時空區(qū)的獨(dú)立，而且其中的表現(xiàn)的物理規(guī)律也可能有所不同，例如其中的粒子也許具有不同的電荷或質(zhì)量，其物理常數(shù)也各不相同。

　　有時人們也把平行宇宙與多重宇宙當(dāng)作同義詞。不過，平行宇宙還有一種理解，即量子力學(xué)中的多世界解釋。這種解釋認(rèn)為，在量子力學(xué)中，存在多個平行的世界，在每個世界中，每次量子力學(xué)測量的結(jié)果各自不同，因此不同的歷史發(fā)生在不同的平行世界中。

　　從宇宙的膨脹可以得出一個結(jié)論，即宇宙起源于一次時間、空間、物質(zhì)和能量的大爆炸。宇宙膨脹的方式有兩種不同的可能性：一種是一切物質(zhì)從一個公共的起點(diǎn)出發(fā)向外運(yùn)動，即發(fā)生了大爆炸；另一種則是在空間膨脹過程中不斷有新物質(zhì)在星系空間產(chǎn)生。后一種即穩(wěn)恒態(tài)理論所持的觀點(diǎn)。

　　假如大爆炸的確發(fā)生過，那么我們應(yīng)該能夠找到一些與之有關(guān)的證據(jù)。大爆炸宇宙學(xué)認(rèn)為，隨原始火球的膨脹和冷卻，其余輝會充滿整個宇宙，并以絕對溫度3K的微小輻射形式表現(xiàn)出來。在3K的溫度下，所有分子都將停止運(yùn)動。這一微波背景輻射證據(jù)在一九六五年已被找到。該學(xué)說的另一個預(yù)言是：在質(zhì)子、中子和電子從原始火球中凝聚出來時，每產(chǎn)生三個氫原子，就必然同時產(chǎn)生一個氦原子。近來對宇宙中元素相對豐度的測量顯示宇宙中氫原子和氦原子的比較確實(shí)是三比一。宇宙大爆炸學(xué)說的其他一些觀點(diǎn)在最近也都先后得到了證實(shí)。

　　然而，問題并沒有得到最終解決。無論根據(jù)今天的哪一種學(xué)說，都要求物質(zhì)從一無所有之中產(chǎn)生，這真是太不可想象了。迄今為止這仍然是一個使天體物理學(xué)家深感困惑的問題。