宇宙13︱宇宙是怎樣膨脹的？它的結局和過去是怎樣的狀態？

上節課我們說了勒梅特在1927年就提出宇宙在膨脹，1929年哈勃就測量出了星系的距離和紅移之間的關係，證實了勒梅特的說法。

這裡需要注意的是，星系在遠離我們，並不是因為星系相對於空間的運動造成的，而是星系和星系之間的空間發生了膨脹，星系相對於空間並沒有動，但空間的膨脹也會導致我們看到的星系在遠離我們。

那麼空間是怎樣膨脹的？對於理解這個問題，愛丁頓曾經就舉了一個非常形象的例子，這個例子到現在依舊是用來科普最好的說法了。

就是說，在一個氣球上粘一些硬幣，現在我們慢慢地把氣球吹大，在氣球膨脹的過程中，硬幣之間的距離會不斷地擴大，但是硬幣並沒有相對於氣球表面在移動。

而且不管從哪個硬幣的視角看，都滿足哈勃膨脹定律，距離越遠，遠離的速度越快。這確實是一個非常好的例子，但是這個例子的缺陷是，把三維空間的膨脹類比到了二維空間上了。

所以我這裡還有一個三維空間的類比，一個揉好的麵糰，在麵糰裡面均勻地放上葡萄乾，現在把這個麵糰放進烤箱裡，這就是我們烤麵包，蒸饃的過程。

那麼隨著麵糰的膨脹，雖然裡面的葡萄乾相對於麵糰沒有移動，但它們之間的距離卻增大了，也滿足哈勃的膨脹定律。

不過在麵糰這個類比中也有缺陷，因為麵糰這個宇宙它有中心，而且有邊界，所以它不是一個各向同性的宇宙，而我們真實的宇宙是沒有中心和邊界的，這跟氣球表面的那個類比一樣，你看，在氣球的表面上，它沒有中心，也沒有邊界，但大小有限，這一點很符合我們真實的宇宙。

所以這兩個類比各有各的優點，但都不完美，不過他倆結合起來應該能讓你瞭解我們的宇宙是怎樣膨脹的。

自從人們確定了宇宙在膨脹以後，就開始了對宇宙的未來和過去的思考。如果往未來看，空間的膨脹勢必會讓物質之間的距離越來越遠，這就會造成宇宙的能量密度會越來越低。

膨脹的空間還會不斷地拉長其中輻射粒子的波長，這就會造成宇宙的溫度會越來越低，所以當時人們就想，一個膨脹的宇宙會給我們帶來怎樣的結局？

不難想象，在宇宙膨脹的過程中，有兩種力在互相拉扯、對抗，其中一個就是宇宙的膨脹率，另外一個就是宇宙中物質之間的引力，它一直在對抗著宇宙的膨脹。

所以總的來說，我們的宇宙從誕生以後，一直都處在減速膨脹的過程中，雖然是減速膨脹，但依舊有三種可能的結局：

第一種，雖然引力一直減慢宇宙的膨脹率，但是由於物質和能量的密度不夠，且在不斷地下降，引力只能在小尺度上把物質束縛在一起，比如形成星系、星系團這些結構，但在更大的尺度上，引力並不能把整個宇宙的膨脹率降到0，或者是變為負數，整個宇宙的膨脹率依然會以一個不為零的正數，勻速的一直膨脹下去。這樣的結局會導致，宇宙的物質越來越稀疏，溫度越來越低，所以稱為大凍結，在熱力學上，也叫熱寂。

第二種情況正好就跟第一種情況相反了，引力不僅能在小尺度上起作用，一直在大尺度上也具有掌控力，整個宇宙會在膨脹率的作用下達到一個最大的體積，然後引力回將膨脹率將為零，並且會逆轉膨脹，使得整個宇宙開始坍縮，最終整個宇宙會回到那個大爆炸的起點。這種情況稱為大坍縮。

第三種情況就比較有意思了，它處在了第一種和第二種的中間狀態，引力和膨脹率誰都沒有獲勝，他們完美地達到了一種平衡狀態，引力不會讓膨脹率降到零，而是會無限的趨近於零，宇宙的大小會達到一個最大值，它不會在變大，也不會在變小。

以上的三種可能是人們在上世紀的30年代，根據宇宙膨脹的觀測結果，和愛因斯坦的廣義相對論所推匯出來的三種可能的宇宙結局，都是基於宇宙在減速膨脹所推到的結果。

但後來人們發現宇宙在加速膨脹，那就是另外一回事了，後面我們說暗能量的時候會詳細地說。

根據宇宙的膨脹人們在考慮了宇宙的未來以後，肯定就要思考宇宙的過去了，如果把這個問題交給你，你肯定也能夠想到，現在宇宙在變大，在過去宇宙肯定會更小。

那麼問題是，宇宙在變小的時候，其中的物質和輻射會發生啥變化？

首先，能夠想到的是，如果物質和輻射的總量沒有變化的話，那麼宇宙體積的減小，物質和輻射的密度就會增加，也就是今天宇宙中所有的東西會捱得更近。

但是輻射的性質更加奇妙，我們知道物質能量來自於它所含的質量，這是不會變化的，可輻射沒有質量，它的能量取決於它的波長，波長越小能量越大，波長越長能量越小。

那麼在宇宙不斷變小的時候，輻射除了密度會增加以外，它的波長也會縮短，比如說，如果宇宙的尺度縮小到今天一半的時候，物質和輻射的密度會增加到今天的8倍，除此之外，光子的波長就會變為今天的1/2，那它所攜帶的能量會增加2倍，在加上光子密度的增加，那麼光子的總能量會比現在高16倍。

這種指數增長非常快，如果我們不斷地往回追溯的話，光子的能量會越來越高，能量高意味著啥？意味著溫度會越來越高，那麼根據宇宙膨脹的反推，我們就能知道宇宙早期就是一個密度極高、溫度極高、體積極小的狀態。

那麼現在我們知道了宇宙早期的狀態，這對我們瞭解宇宙起源，物質形成有何幫助呢？這就是我們下節課的內容，物理學家伽莫夫首次為我們描述了宇宙早期的創世時刻，它預言了大爆炸核合成以及微波背景輻射的存在。

這兩個預言和宇宙膨脹，最後也就稱為宇宙大爆炸理論的三大基礎。