宇宙有開始也有結束#
即使今天大爆炸理論已被廣泛接受，有些民間哲學家說起宇宙還是「空間上無邊無際、時間上無始無終」——我們想像中的宇宙是無限大、曾經存在過無窮長時間、將永久存在下去。
然而所有證據都表明，宇宙絕對不是這個永恒不變的樣子。宇宙有個開始、而且還會有個終結。
這有點違反直覺。不管人在不在，組成人的原子總在；不管國家有沒有，國土總在——那宇宙的開始和結束又從何說起？
如果你覺得不好接受，你不是一個人——當年連愛因斯坦（Albert Einstein）都認為宇宙應該是靜態的。
愛因斯坦「一生最大的錯誤」#
廣義相對論突破超距作用#
牛頓（Isaac Newton）引力是「超距作用」——這裡有個大質量物體、你立即感受到它的引力。可是這個力是怎麼傳播的？連光速都有限、引力信息能瞬間到達嗎？
1916 年愛因斯坦提出廣義相對論（general relativity）。他說引力是空間的彎曲。用一句話概括：
物質告訴空間怎麼彎曲，空間告訴物質怎麼運動。
大質量物體改變周圍空間的彎曲程度、其他物體根據感受到的彎曲空間運動——引力不再是超距作用，它通過空間傳遞。
引力波的 100 年驗證#
因為引力可以傳遞，廣義相對論馬上預言「引力波」（gravitational wave）的存在。2016 年物理學家果然觀測到了引力波。
13 億年前、距離地球 13 億光年遠的地方，有兩個黑洞發生碰撞。引力波向全宇宙傳播。碰撞發生時地球上只有最原始的單細胞生物。引力波慢慢傳遞過來——期間地球上演化出智人、智人有了文化、愛因斯坦出生、寫下廣義相對論的引力場方程……然後一直到 2016 年，我們截獲了這個引力波。
宇宙常數 Λ#
愛因斯坦最初用場方程對整個宇宙求解，發現這樣得出的宇宙會膨脹。他覺得這肯定不對、宇宙應該是靜態的——才加入了宇宙常數 Λ。
但這個人為做法有兩個缺陷：
- Λ 的物理意義是什麼？沒人知道，僅僅是為了得到靜態宇宙而存在。
- 後來蘇聯數學家計算——加入 Λ 雖然能得到靜態宇宙，但這是個不穩定的平衡。就像用筆尖立鉛筆——只要有一點擾動馬上就會倒下。
哈伯的發現：宇宙在膨脹#
1929 年美國天文學家愛德溫・哈伯（Edwin Hubble）對銀河系外的星系做系統性觀測，發現星系光譜有一個往紅端的移動——「紅移」（redshift）。
火車鳴笛的類比#
波動都是這樣——物體向你跑過來頻率增加、離你而去頻率減少。
- 火車朝你開過來 → 鳴笛聲音更尖銳。
- 火車離你而去 → 鳴笛聲音更低沉。
星系光譜紅移只能說明一個問題：所有遠方星系都在離我們而去。而且距離越遠跑得越快。
不是地球是宇宙中心#
地球不是宇宙中心。想像空間是彎曲的——我們都站在一個氣球表面上，氣球膨脹時對氣球上任何一點來說其他點都在離它而去，而且距離越遠跑得越快。
大爆炸理論的起源#
既然宇宙正在膨脹——以前的宇宙肯定沒這麼大、逆推回去宇宙一定有一個開始。這就是大爆炸理論的起源。
愛因斯坦本來已經算出宇宙應該膨脹，是為了讓宇宙不膨脹才自作聪明地加了 Λ，結果錯過了對宇宙膨脹的理論預測。
愛因斯坦說：這是我一生最大的錯誤。
他把 Λ 去掉，引力場方程變得更簡單——方程預言宇宙膨脹、宇宙也確實在膨脹、一切和諧。
空間本身的膨脹#
大爆炸的膨脹不是寻常炸彈的爆炸——是空間本身的膨脹。
- 廣義相對論認為空間不是一片虛空，而是可以傳播引力、可以變形、可以彎曲的實實在在的東西。
- 在宇宙起源之前時空根本不存在。
- 把空間想象成一張實實在在的網——所有東西都放在這張網上，而網本身可以變大。
空間可以超光速膨脹#
物理定律要求物體移動速度不能超過光速——但這說的是物體在空間中的移動、不是空間本身。
宇宙膨脹的速度可以超過光速。早期宇宙膨脹速度超過光速；現在那些距離我們特別遙遠的星系，它們離我們而去的速度也是超光速的——我們不可能看到它們，它們那裡不管發生什麼我們都無法知道。
1998 年的驚天發現#
Ia 型超新星：天然的宇宙量尺#
1998 年兩組天文學家想測量現在宇宙膨脹減慢到了什麼程度。他們用「Ia 型超新星」——
- 這是雙星系統，其中一顆是白矮星。
- 白矮星不斷吸收臨近星的質量，到達太陽質量的 1.44 倍時突然爆發成超新星。
- 引爆質量永遠一樣 → 亮度也永遠一樣——天文學家看亮度就能精確知道距離。
結論震驚物理學界#
天文學家用兩種方法算距離、結果差了 15%——這意味著：
宇宙膨脹不但沒有減速，而且還在加速。
這個發現毀三觀，但經過檢驗確認無疑——三位科學家因此獲 2011 年諾貝爾獎。
物理學家只好把宇宙常數放回愛因斯坦場方程——只不過這回 Λ 的數值得改，變成讓宇宙加速膨脹。
暗能量#
Λ 到底有什麼物理意義？物理學家現在解釋不了、只好沿襲「暗物質」的命名傳統、稱之為「暗能量」（dark energy）。
宇宙的能量分布#
現在估算我們這個宇宙全部能量中：
- 寻常物質：約 4%。
- 暗物質：26%。
- 暗能量：70%。
暗能量提供一種真空中的斥力——但底層物理機制我們完全不知道。有人猜是量子力學的真空能，結果一計算差了 $10^{120}$ 倍，太荒誕了。
一萬億年後的噩夢#
暗能量是真空中的能量——宇宙越膨脹、真空越大、暗能量就越大。50 億年前暗能量比例達到一定數值、宇宙就開始加速膨脹了。
隨著空間越來越大、暗能量越來越多、宇宙膨脹的加速度也越來越大——遠方星系以越來越快的速度離我們而去，不可能再回頭。
一萬億年後的天空#
物理學家計算——再過一萬億年，除銀河系外，我們的天空中將再也看不到其他的星星。
如果這個文明不能把現在關於宇宙的知識流傳到那個時候——那時的天文學家會認為宇宙裡就只有一個銀河系。他們的宇宙觀將跟我們很不一樣，將無從知道宇宙裡其實有那麼多星系。
因為缺少關鍵信息，他們永遠都想不到宇宙曾經有過這樣的歷史。
泰森的噩夢#
泰森（Neil deGrasse Tyson）做了個噩夢——如果一萬億年後的人缺少關鍵信息，那麼我們這一代人是不是也缺少了某些關鍵信息、以至於對這個宇宙有些東西是我們永遠都不能理解的？
要知道——這個宇宙根本沒有義務讓你理解。