*以下根据张双南于2020年10月22日在高山书院锦屏山站的部分课程内容整理而成，经老师审核后公开发布。点击文末阅读原文，了解更多。
授课老师：张双南，中国科学院高能物理研究所研究员，中国科学院大学教授，天宫二号空间实验室伽马暴偏振实验、“慧眼”天文卫星以及中国载人航天工程空间天文与天体物理领域专家组首席科学家。张双南教授，2020年10月22日在高山书院锦屏山站
关于宇宙大爆炸模型，其实有非常多值得一提的疑问。不过绝大多数的天文学课程，即便是研究生或本科生课程，对它们都绝口不提。不仅老师自己不提，就算学生问了，老师也不答。至于网络上，各种五花八门、稀奇古怪的答案，大众也不好辨识哪些是真知、哪些是扯淡。所以，我专门安排了一个章节，讨论这些本该问，却没有答的天文问题。宇宙是凭空产生的吗？今天宇宙物质这么多，还不断膨胀，这些能量哪儿来的？有人说，大爆炸就像超新星爆发，不需要额外能量，一团气体收缩，收缩到一个程度上再炸开。但这个答案是不对的。虽然超新星爆发确实不需要额外能量，它是气体在引力作用下收缩，进而产生核反应，再从物质转换成了能量；但这个能量是从物质转换而来，不是凭空产生。而宇宙一开始啥都没有，靠这样的操作是不能引起大爆炸的。更合理的答案来自于我们之前谈到的“奇点”——这个奇点从一开始就有着无穷大的物质密度、能量密度等物理量。从这样一个奇点爆发出一个宇宙，就完全可能。1970年，霍金和彭罗斯也证明了奇点定理。去年的诺贝尔物理学奖，一半颁给了彭罗斯。奇点定理源自于彭博士，他在1965年先证明了黑洞必然形成；接着1970年他和霍金合作，对1965年的工作做了推广，推广的结果是：宇宙的整个范围内都能够有奇点。所以宇宙可以始于奇点——至于是不是真的如此，我们这一刻无法得知，不过至少宇宙怎么”凭空“诞生的疑团，我们能让奇点解释住了。就像我们问另一个人：“你出生之前在干什么？”一样，这还真不是一个正儿八经的问题。有些问题是问题，但有些不是。对这问题，简单的回答是：在大爆炸的理论框架下，没有大爆炸之前这个问题。因为大爆炸理论本身只讲大爆炸以后的事情，换句话说，宇宙只有奇点之后，没有奇点之前。上一题说到，宇宙物质和能量都来自于奇点本身；那么现在对奇点之前避而不谈，仿佛是把锅甩给了奇点。对此，喜欢刨根究底的同学肯定不满意。无奈，在现有的科学框架里，这就是最好的答案；要强行去臆测奇点之前也不是不可以，但就不是科学了。实际上，不单是你不满意，我自己也不满意。为什么这么说？一直以来，我们常说到广义相对论和量子力学之间存在根本的矛盾，其中之一就是奇点。奇点是广义相对论框架下的结论，不是量子力学的结论。广义相对论允许空间压缩到一个无穷小的尺度，而量子力学告诉我们宇宙万物都存在它最小的单元，比如普朗克时间和长度就是量子力学允许的最短时间和尺度。那么量子力学自然是不允许一个无穷小的时空尺度。可是宇宙奇点理论上拥有无穷高的能量。在海森堡的不确定原理下，如果能量变化无穷大，那么时间尺度就无穷小，这就违背了量子力学，因此就没有时间的零点，当然也就没有“之前”。所以，大爆炸之前是什么，现阶段无论如何是无法回答。
大爆炸最初从纯能量，慢慢冷却、形成了宇宙各种物质，包括高速运动的夸克胶质电子等粒子。根据粒子物理标准模型，能量产生物质的时候，正反粒子是对称产生的。在我们的对撞机实验里是如此，在宇宙中也理当这样。那么，宇宙应该产生等量的物质和反物质、粒子和反粒子。有些人说：地球或银河系没有反物质，不代表偌大的宇宙在其他地方没有反物质。也许在宇宙的另一端，正存在着大量的反物质组成的地球与银河系呢？逻辑上可能，但至今的观测却不是这样子，而科学讲的是证据。通过世界各地的天文观测，包括我们四川稻城的世界最大宇宙线天文台，我们可以观测到来自宇宙其他地方的宇宙射线。过去的实验都表明：来自于遥远宇宙的宇宙射线中，只有正物质组成的宇宙射线，而没有反物质组成的宇宙射线。而现在在国际空间上，华人诺贝尔物理学奖得主丁肇中先生主持的一个相关实验，多年来也一直没探测到反物质射线。当然，我们确实还是探测到了一点反物质宇宙射线，但这是正物质宇宙射线在传播过程中和其他的物质产生作用变成能量，然后再产生出来的。所以为什么没有反物质，还是一个悬而未决的科学难题。不过我们也还算有了一些进步。前段时间日本物理学家观测太阳的时候发现：中微子是个变色龙。和一般粒子不同，三类中微子会相互变换，而这也表明了中微子有质量。现在科学上认为，中微子跟反物质之谜之间有深刻的联系。不管怎样，也多亏了我们的世界没有反物质，否则我们不小心碰到了一块反物质，就要一起湮灭掉，变成能量了。既然我们从各个方向观测，天体都是背对地球而去，那么反向推导，貌似我们就处在了宇宙的中心。但其实这是视觉观测效应。宇宙膨胀，是处处都在膨胀。所有的天体都会觉得其他天体正离自己远去。就像我们在气球上画几个点，充气膨胀的过程中，从任何一个点望出去，都会发现其他点在远离自己。那么，宇宙的中心在哪里？目前宇宙学的标准答案是：处处都是中心，处处也都不是中心，宇宙各处都是一样的。另外，宇宙有没有边界？宇宙的定义是万物的总和，如果宇宙有边界，那么边界外面是什么？外面仍然是宇宙，因为宇宙是所有的东西。所以最简单的回答是：宇宙没有边界。不过在这里就再产生了一个有趣的问题：如果宇宙没有边界，这是否意味着宇宙无穷大？当前学术界的标准答案是：宇宙没有边界，也无穷大。不过这说法也有不少科学家不喜欢，其中包括了爱因斯坦。后来，爱因斯坦即便抛弃了静态的宇宙、接受了膨胀的宇宙，他也仍然不认为宇宙无限大。作为一个数学家，无穷大没什么大不了；但作为一个物理学家，自然的无穷大是匪夷所思的。所以，爱因斯坦认为宇宙是有限而无界的。而没边界却有限，乍听起来很荒诞，但数学家告诉我们这完全可行。打个比方，一只二维的蚂蚁活在一个三维的球面上，尽管球面本身有限，但它也找不到球的边界。平时我们说宇宙膨胀，仿佛世界万物都在膨胀——于是有人开始说，那么我长得越来越胖，肯定就是宇宙膨胀造成的了。关于宇宙的膨胀，我们不妨设想一个葡萄干面团。面团在发酵的过程中膨胀，葡萄干之间的距离越来越大，但葡萄干本身大小几乎没变化。同理，宇宙膨胀，星际距离会变大，但星系天体本身不会。简短而言，膨胀只在宇宙大尺度下发生；在低尺度下，物质稠密的地区如原子、天体，由于四力的参与，并不会明显膨胀。
编辑 | 朱珍
