【极大篇 | 第一章：宇宙的前世今生】01 宇宙的成长

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严老师讲义 

宇宙的诞生、成长和未来经历了一个时间过程。但是我们先不讲诞生，而是先讲成长。

为什么呢？因为物理学的基本研究方法，是从现有的、可以观测到的信息入手。

宇宙目前处在一个成长期；

宇宙的诞生发生在很久之前，我们没看到；

而宇宙的未来，我们也还看不到。

所以我们只能够从宇宙的成长入手，先研究宇宙的性质，再通过演绎法，反推回宇宙诞生的时候是什么样的，并预言宇宙的未来。

1.1 两个核心问题

几百年、上千年之前，哲学家、科学家们就在思考两个终极问题。

第一，宇宙是有限大，还是无限大的？换句话说，宇宙有没有边界。

第二，宇宙是存在了有限久，还是无限久？宇宙是不是也像人一样，有一个诞生的过程。

1.2 牛顿的答案

对于这个问题，牛顿给出了一个看似无可辩驳的答案：宇宙当然是无限大的。

牛顿的理由也很简单，因为那个时候牛顿已经发现了万有引力定律，就是任何有质量的物体之间都存在相互作用的吸引力。

如果万有引力是正确的话，那宇宙中的所有天体之间都应该相互吸引。但是很明显，我们现在观察到的天体、星系之间都保持着一定的距离。这个距离还很大，动辄几光年、几十光年。

但万物并没有因为万有引力的存在而相互靠近，那是万有引力失效了吗？是什么样的力量，在防止宇宙中的物质挤成一团呢？

似乎只有当宇宙是无限大的时候，才能解释这个现象。牛顿的论证也很简单，假设单看宇宙中某一个星球，它受到左边另外一个天体的吸引。那根据万有引力，它就有向这个天体运动的趋势。

由于宇宙是无限大的，那么一定可以在这个星球的右边再寻找到另外的天体，对这个星球产生向右的吸引力。这样它就受力平衡了，不会发生与其它天体融合到一块的情况。

总体来说，恰恰因为宇宙是无限大的，所以宇宙中的每一个点都是中心点。处在中心点的天体，一定可以在它周围找到足够多的物质，使自己受到的引力平衡，宇宙就不会收缩成一团了。

相反，如果宇宙是有限大的话，必然会在万有引力的作用下收缩到一个中心点。

其实现在看来，牛顿的论证过于理想化。因为无限大只是一个数学概念，从生活经验来说，人是无法感知无穷大的。

但宇宙并没有因为万有引力的作用而收缩，我们还好好地活着，这又让牛顿的论证看似无懈可击。

1.3 奥伯斯的答案

那就先让我们假设牛顿是对的，再来看看下一个问题：宇宙有没有一个年龄？它是存在了有限久，还是无限久？

我们知道地球差不多是40亿年前诞生的，太阳大约是50亿年前诞生的。那宇宙是不是也有一个年龄呢？

对于这个问题，19世纪的德国哲学家奥伯斯，给出了他的回答。

他认为，根据牛顿宇宙无限大的论证，宇宙必然是已经存在了有限久的时间。如果宇宙存在了无限久的话，那我们现在就不可能看到白天黑夜交替，应该一整天都是白天。

奥伯斯的论证也非常通俗易懂。既然宇宙是无限大的，那宇宙中就应该有无限多的正在发光的星星。

如果仰望星空，不管朝哪个方向看过去，那个方向上一定会有正在发光的，并且已经存在了无限久的星星。

在奥伯斯的时代，人们已经知道了光的传播是需要时间的。如果宇宙存在了无限久，那么所有星星发出的光，必然都已经传到了地球上被我们观察到。

因此不管我们向哪个方向望过去，都能看到有星星在发光。这样一来，整个天空都应该被星光填满，地球上应该永远是白天。

然而现在的情况是白天和黑夜交替变换，所以只要宇宙是无限大的，宇宙的年龄就一定是有限的。

1.4 自相矛盾

这样看来，宇宙是否无限大，以及存在了是否无限久这两个问题，似乎已经被轻松回答了。但是如果把这两个答案放在一起的话，这两个论证就有破溃的危险。

为什么呢？因为这两个答案是自相矛盾的。

根据奥伯斯的论证，宇宙存在了有限久。我们现在知道宇宙的年龄大概是140亿岁，也就是说在140亿年以前，宇宙并不存在，它有一个诞生的过程。

这就好像盖房子一样，我们用有限的时间，只能盖出一栋有限大小的房子。宇宙是怎么变成无穷大的呢？

也就是说，无限大的宇宙却有一个有限大的年龄这一结论，存在根本的逻辑矛盾。除非宇宙从诞生开始，就是无穷大的。

这倒是比较符合西方基督教中的上帝创世思想，但对于物理学家们来说，这个“创生”的过程是无法理解的。

1.5 换一个问题

那么这种矛盾要怎么解决呢？有时候一个问题找不出正确答案，可能不是解法有问题，而是问题本身问错了。

宇宙是否无限大？存在了是否无限久？这两个问题一旦问出来，其实已经假定了宇宙目前的状态是固定不变的。它完全忽视了另外一种可能性：宇宙有可能时刻在变化。

宇宙难道不会是一栋只盖到一半的房子吗？

针对这个问题，直到1929年，美国天文学家哈勃才给出了一个令人信服的答案。