Astronomy 版 (精华区)

    宇宙膨胀过程是引力与膨胀初速度之争，谁胜谁负取决于宇宙物质密度。

    如果宇宙物质密度￡某一临界密度（根据现有的对膨胀速率的观测，临界密度
约为 5×10-30 克/厘米3），将没有足够的引力阻止膨胀，宇宙膨胀永无止境，这
一情形下，我们称宇宙的膨胀是开放的（开宇宙）；如果宇宙物质密度>临界密度，
巨大的引力会使得膨胀最终停止并接下来收缩，在这一情形下称宇宙的膨胀是封
闭的（闭宇宙）。

    这看起来就象我们按照牛顿理论发射飞行器一样，如果给的初速度足够大，飞
行器将摆脱地球的引力成为星际飞船，而如果初速度不够，飞行器会最终掉下来。
但在讨论宇宙的膨胀时有一个重要的差异。按照广义相对论，封闭式膨胀的宇宙在
质量上和尺度上必定是有限的（宇宙空间是正曲率的），而开放式膨胀的宇宙在质
量上和尺度上必定是无限的（宇宙空间是零曲率或负曲率的）。

    因此，讨论宇宙可能的演化结局与讨论宇宙的有限或无限是完全等价的！

    宇宙到底是有限的或无限的？这是个诗人爱遐想，哲学家爱沉思的问题。有些
人认为宇宙的无限性是先验的真理，有限宇宙的观念不能为常识所接受。持这种观
点者对有限宇宙提出的非议经常是："宇宙的边缘在哪里？""边缘之外又是什么？
"等等。这是因为他们的困惑来源于错误地用平坦空间的观念来思索一个弯曲的空
间。当他们能改正过来，习惯于用弯曲空间的观念来考察弯曲空间，那么他们所有
莫解的疑问都会自动消失。事实上，宇宙是有限还是无限的实实在在是一个物理问
题。有许多可实测的量，能对此作明确的判断。可惜的是，它们至今被测定得不够
准确。但有理由相信，我们在比诗人和哲学家更可靠地逼近真理。

    根据广义相对论框架下的宇宙膨胀动力学方程，宇宙学家发展了三种判断有限
还是无限也即推断其演化结局的方法：

    a) 以密度为判据
    b) 以膨胀的减速参量为判据
    c) 以宇宙年龄为判据

    由于目前为止还不能在宇宙的两种可能结局间作出判断，我们不妨都看一看：


    a) 开宇宙（可能性比较大些）

    随着恒星不断从气体中诞生，气体越来越少，直至无法再形成新的恒星。

    1014年后，恒星全部失去光辉，宇宙变暗，星系核处黑洞不断变大。

    1017－1018年后，只剩下黑洞和一些零星分布的死亡了的恒星。恒星中质子开
始变得不稳定。

    1024年后，质子开始衰变成光子和各种轻子。

    1032年后，衰变过程结束，宇宙中只剩下光子、轻子和大黑洞。

    10100年后，黑洞完全蒸发，可称为世界末日。

    b) 闭宇宙

    膨胀停止的早晚取决于宇宙物质密度的大小。

    假设物质密度是临界密度的2倍，这膨胀过程经过约500亿年后停止，宇宙半径
比现在大一倍。

    一旦自引力占上风，宇宙开始收缩，收缩过程几乎正好是膨胀过程的反演，
1000亿年后重新回复到大爆炸发生时的极高密度和极高温度状态。且收缩过程越来
越块，最后称为"大暴缩"。

    闭宇宙的结局似乎比开宇宙差得多，但我们不必杞人忧天。

    到这里为止，本文开头提出的三个问题，除了第一个尚需更高精度的观测外，
都可作出较明确的回答：宇宙没有中心没有边，不管它是有限的还是无限的；宇宙
在时间上有一个开端，有没终结则要看其密度而定。