很多的科普视频都在说,宇宙的质量一直都在增加,不过这里要说的简单的答案是:“没有”──至少如果你假设这个质量和能量相等的话。
物质会一直转换成能量,举例来说,当一颗恒星燃烧核燃料的时候,就会创造出光。但是也可能发生相反的事:光的光子也可能衰变成物质的粒子。当我们说到宇宙的内容时,我们说的通常是能量密度,由相等的能量说明物质。
我们看不到整个宇宙,只能看见那些够接近、光足以有足够时间到达我们这里的部分。随着时间的过去,我们可以看得更远,看见更多的星系。不过如果我们在某个时刻拿特定体积的太空来看,比如说我们目前看得见的整个宇宙,那么平均来说,是没有东西在这里进出。我们选择的这个区域每离开一个光子,都会有另一个进来填补。可是宇宙在扩张,使得这个固定区域的体积会变大。虽然能量内容可能维持不变,可能密度却一直在变小,因为体积一直变大。
宇宙的形状是什么?
我们可以把宇宙想像成平面的。(显然宇宙不是平面的,但是立体空间的转换是出了名的难以具象化的!用二维的表面来表现比较容易,这样我们才能用第三维来移动这个平面。)现在想像我们在一张纸上画一个三角形。小学生就学过,三角形的内角相加会是180度,而且画在一张纸上一定也是这样。三角形的内角相加确实是180度的二维平面,称为具有“平坦几何”的二维平面。
现在想像一个球体的平面,比方说地球的球面。从赤道开始,往北画一条到北极的线,接着转一个直角,让线回到赤道。然后在这里再转一个直角,回到线的起点。这样你就画出了一个在球体上的三角形,不过这个三角形里的三个角都是直角。这表示这三个角的总和是270度,不是180度。
这样的形状具有“正曲率”,代表三角形里的角度加起来超过180度。如果你沿着这些线走(游,或飞),你会觉得自己一直都在走直线,无法察觉到表面的曲率。只有当你从三维立体的角度来看,才会发现这些线看起来是弯曲的。
我们可以想像有一个表面,上面的三角形的内角总和是小于一百八十度的。这就是有“负曲率”,最简单的就是想像马鞍的形状:两侧往下,前后往上。这些线条近看是直的,但远看就像是往外弯的。这些看起来都很抽象,而且怎么在不同的形状上画三角形和宇宙有什么关系?这点你可能也不是很明白。现在我们不画线,想像发射一束光。在正曲率的宇宙里(比方说球体),光束会朝彼此弯曲,使得东西看起来比实际上大,此时宇宙就像是一个巨大的透镜。在负曲率的宇宙里,线条会往彼此的反方向弯曲,物体看起来会变小。
所以我们怎么测量光束是不是以直线前进呢?首先我们要知道物体有多大,这样我们才能和它“看起来”的大小做比较。还好我们有一些已知大小的东西,也就是众所周知的大爆炸的残留,宇宙微波背景的一些特征。当我们观察宇宙初期残留至今的这些微波时,看到的是比其他稍微热一点、密度高一点的部分。我们其实很清楚这些热的(和冷的)点的形成──早期的宇宙可能更热、密度更高,但是就物理学上来说,其实是很容易理解的地方。
接着我们可以从地球上的一个角落开始画三角形,另外两个点则在一个热点的两端,这样画出来的形状,正是3个内角相加应为180度的三角形。这表示光是以直线前进的,而且宇宙的形状在这个大尺度来看是平坦的。我们也可以利用在庞大尺度上的星系分布之类的特征,在比较接近我们的天体,而不是在我们可见的最遥远的宇宙做一样的事。基本上,只要是尺寸已知的东西,我们都可以这么做。
我们知道宇宙似乎可以说几乎是完全平的,但是我们并不百分之百确定确切的数字,就像所有的物理测量一样,有一些部分还是不确定。这些不确定代表我们可能有一天,会测量到早期宇宙结构的特征,暗示宇宙在比我们所见的更大尺度上,并不是平的。也许还有其他的可能性存在,比如说宇宙是橄榄球形的,在交叉的区域则接近平坦,但又不完全平坦。
那么,我们怎么确定宇宙是不是无穷尽的?其实我们不能确定宇宙是不是无穷尽的。目前为止的测量结果告诉我们,整个宇宙的大小可能比我们看到的任何东西都要大很多很多,但是它是不是无穷尽的,就更加难以测量了。
宇宙外面有什么?
宇宙之外有东西的这个想法,几乎一点都没有意义,因为这是一个涉及宇宙之外还有空间的概念。我们所了解的空间──有上下左右前后的三维空间──只在宇宙的范围内有定义。我们所知的宇宙可能是嵌在一个更高维的结构里,但是我们无法以同样的方式来测量更高的维度。
将扩张中的宇宙具象化很困难,但我把它和充气中的气球相比,气球的表面上有星系,会随着时间彼此愈来愈遥远。在这个类比中,气球的内部有没有东西呢?
膨胀的气球的类比很有用,因为这让人能了解扩张中的空间是没有边缘的。在这个例子当中,宇宙是气球的表面,整个太空都在这个表面上。但是气球内部的成分是没有意义的。
之所以会有这个问题,是因为我们把宇宙想成在三维世界里的二维平面。可是其实应该用一只爬在气球表面的蚂蚁的角度,来思考这个气球表面。这只蚂蚁(以这些条件来说,它无法往上看,所以只有二维的存在)只知道气球的表面而已。而由于这个表面够大,对一只小蚂蚁来说,它就是一个平面,就像是从我们这些在地球上爬的人的角度来看,地球也是一个平面一样。
如果这颗气球的内部还是让你有疑问,你可以试着把宇宙想成一张不断变大的平面床单。这样想的问题是,你会很难摆脱它有边缘的想法,所以你会觉得这张床单的大小是有限的。恐怕真的没有一个简单的答案。