□作者: 徐冬松

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　　宇宙在膨脹是20世紀最偉大的發現之一。這個發現使人類幾千年的宇宙觀在僅僅不到半個世紀的時間里，發生了翻天覆地的變革。這些變革的新觀念幾乎是讓人目瞪口呆的。以我們現在的知識來觀察發現宇宙膨脹之前的宇宙觀，我們將會發現之間的對比猶如靜態宇宙觀比之于地心說一樣強烈。人們驚訝地發現，這個看似熟識的宇宙依然陌生。
　　
　　宇宙將如何膨脹呢？膨脹下去的結果又將怎樣呢？
　　
　　1922年，當愛因斯坦仍在努力尋求廣義相對論中平衡宇宙收縮趨勢的引力常數時，前甦聯數學和物理學家弗雷德曼卻在廣義相對論的基礎上提出兩個觀點，即不論我們在宇宙中的任何地點觀察，也不論我們向宇宙中的任何方向觀察，宇宙看起來都是一樣的。他指出，僅從這兩個觀念出發，我們就應該預料到宇宙不是靜態的。他基于此建立的宇宙模型與後來哈勃的觀測完全一致。
　　
　　弗雷德曼模型有兩個解。一個解是當宇宙膨脹得足夠快時，引力僅僅使膨脹變得緩慢一點，而不能使之停止，宇宙將永遠地膨脹下去；另一個解是宇宙膨脹得足夠慢，以致于引力使膨脹最終停止，宇宙將收縮，並在星際間的引力作用下發生大擠壓。也可以認為有第三種解，那就是宇宙的膨脹速率剛好快到可以避免坍縮。它與第二類解的不同之處在于，第三類解的宇宙是平坦的，而第二類解的宇宙是象拱形一樣彎曲的。第三類解其實就是第二類解的特例。這兩種解的宇宙，模型都是無限的。
　　
　　而在第一類解中，我們看到了奇異性——宇宙在空間上不是無限的，並且是沒有邊界的。在這里筆者並沒有寫錯，這種宇宙情形可以用我們的地球來幫助理解。地球的表面是沒有邊界的，但體積卻是有限的，只不過地球表面是二維的，而宇宙空間是三維的。第一類宇宙模型的引力是如此之強，以致于空間被折彎而繞回到自身。
　　
　　這的確是一個科幻小說的好題材，一個人繞宇宙旅行一周後又回到了出發點。然而霍金告訴我們︰“這實際上並沒有多大意義，因為一個人還沒有來得及繞一圈，宇宙已經坍縮到了零尺度。你必須旅行得比光波還快，才能在宇宙終結之前回到你的出發點——而這是不允許的！”
　　
　　對于時間來說，這類解也是有限的，而且它有開端和終點，如同一條繩子的兩端，也就是有邊界的。我們在以後將會看到，當人們將廣義相對論與量子力學結合起來的時候，我們就可以將這條繩子的兩端連起來，使時間和空間都成為有限的，並且是無界的。
　　
　　那麼我們的宇宙符合哪一類解呢？這要由我們目前觀測到的宇宙的平均質量密度來決定。我們現在觀測到的所有星體質量的總和尚不到阻止膨脹所需臨界質量的1%，即使將那些我們觀測不到的星系間的暗物質考慮進去，全部的質量也未達到停止膨脹所需密度的十分之一。這些結果暗示著，我們的宇宙可能會以當前這種幾乎是臨界的速率永遠地膨脹下去。