《仰望星空》19 - 宇宙有限还是无限
要完成宇宙膨胀速率的曲线图，还需要一个纵坐标，就是宇宙的膨胀速率值。如何才能得到这个数值呢？破解问题的关键就在于光的颜色。这里要再次提到红移。
因为宇宙在不断地膨胀，所以穿行在宇宙中的光的波长也会被不断地拉长，拉得越长，光就会变得越红。你把宇宙想象成一块有弹性的布，光是穿在这张布上的丝线，那么丝线被拉长了百分之多少，就代表宇宙膨胀了百分之多少。换句话说，如果我们测得一颗超新星的光波被拉长了10%，那么现在的宇宙就要比这束光刚发出的时刻大10%。这种数据积累得越多，就越能精确地测算出宇宙膨胀的速率。
两个研究团队并没有任何的交流，以保持各自数据的客观独立性。可是，观测数据积累得越多，他们的嘴却张得越大，因为，宇宙似乎与他们预想的膨胀模式完全背道而驰。
经过四年多慎重的观测、复查、再次复查后，施密特领导的高红移超新星搜索队于1998年率先公布了他们的研究结果：一张让全世界天文学家大跌眼镜的宇宙膨胀速率随时间变化的曲线图。这根曲线图显示，宇宙在大爆炸后的前70亿年，膨胀速率确实如预期的那样一直在逐渐减慢，但是就在大约70亿年前的某个时刻，不可思议的大事发生了，曲线在即将变平的时候突然开始上翘，就好像有人开着车从踩刹车改为了踩油门一般，这根曲线一直上翘到今天，宇宙的膨胀速率不仅没有减速度，反而有加速度。
图 施密特领导的高红移超新星搜索队公布的宇宙膨胀速率变化图
到了1999年，珀尔穆特的超新星宇宙学计划团队也公布了他们的研究结果，在完全独立工作的情况下，他们的研究结论与施密特团队的结论惊人地一致。
就这样，50多位优秀的天文学家用了四年多的时间，向全世界宣布了一个不可思议的消息：我们的宇宙正在加速膨胀！到今天为止，宇宙加速膨胀已经成为了一个经受住严苛检验的事实而被科学共同体所接受。2011年的诺贝尔物理学奖，就颁给了施密特和珀尔穆特，以表彰他们的这个重大发现。
这个事情马上就带来了一个巨大的困惑，就好比你如果向上抛起一个球，这个球不但不减速，还加速上升，你必然会断言，一定有什么东西在推动它飞离地球，逃脱地心引力。而爱因斯坦提出的那个为了抵消宇宙膨胀而引入的宇宙学常数，正是在理论上能够产生斥力，对抗万有引力的东西。于是，宇宙学常数又重新成为了万众瞩目的焦点，这个情况，如果爱因斯坦地下有知，不知道又该作何感想。为了让宇宙学常数的概念更易于理解，芝加哥大学的宇宙学家、物理学家迈克尔·特纳教授发明了一个词：暗能量。
暗能量实在太微弱，我们还不具备在实验室中直接观测到它的能力，现在唯一的研究手段就只能通过对超新星的观测，来从宏观上研究暗能量。但有一点是可以肯定的，暗能量是当今物理界和天文学界最令人着迷的两大谜题之一，也是最前沿的科学问题。
暗能量的发现让我们产生了一个很焦虑的问题，宇宙会一直这么膨胀下去，永远停不下来，而且河外星系相对于我们的退行速度只会越来越大。如果按照这个趋势发展下去，那么几千亿年以后，银河系附近的所有星系相对于我们的退行速度都会大于光速。换句话说，它们发出的光永远也到不了银河系，它们都会退出我们的宇宙视界，进入一个我们从理论上永远也看不到的区域。想象一下，几千亿年以后的智慧文明再来观察宇宙，它们会得出孤岛宇宙的结论，整个宇宙就只有银河系这一个孤岛，除此之外就是无边无际的黑暗。我们人类是极为幸运的，我们生活在一个能看到几千亿个河外星系的宇宙中，在太空望远镜中的宇宙，是一个千姿百态的宇宙，用一点诗意的语言来描写的话，我们生活在一个百花绽放的年代，在所有的花儿枯萎之前，让我们尽情享受花儿的千娇百媚吧。
宇宙有限还是无限
在你有了暗物质和暗能量的基本概念后，我们就可以来谈谈宇宙的形状以及宇宙到底是有限还是无限这个问题了。根据宇宙大爆炸理论，宇宙开始于一个点，在她诞生的最早期，当然是有限的。现在我们要谈的是经过了138亿年膨胀之后的宇宙，到底又是一个什么样的形状呢？
先简单地普及一些关于空间形状的基础知识。我们先从一个平面开始，在一张平坦的纸上，你可以画出两根互相平行的线，它们永远也不会相交。你也可以在这张纸上画一个三角形，三角形的内角和一定是180度。但在地球上，我们看似两根互相平行的经线，最终会相交于南北两个极点。在一个球面上画一个三角形，则三角形的内角和是大于180度的。正是这些几何属性上的差异，让我们能够理解什么是一张完全平坦的纸面和一张弯曲的纸面。现在我们把这个理解往前再走一步，如果我们在宇宙空间中的两根平行线也会最终相交，如果在宇宙中的一个三角形的内角和不是180度，那么我们就会发现空间也是有形状的。用专业一点的术语来讲，就是空间的曲率。如果空间的曲率为正，那么空间就好像一个篮球的形状，三角形的内角和大于180度；如果空间的曲率为负，那么空间就好像是一个马鞍的形状，三角形的内角和小于180度；如果空间的曲率为零，那么空间就是完全平坦的。因此，空间的曲率决定了我们今天宇宙的形状。
在研究宇宙的形状这个问题上，有两种解决思路。第一种是根据爱因斯坦的广义相对论方程，将空间的曲率问题转换成宇宙空间中的质能密度问题，也就是宇宙中所有物质和能量的平均密度。如果质能超过一个临界值，那么引力就会导致空间朝自己弯曲，形成闭合的球形，空间曲率为正；如果质能没有超过这个临界值，那么空间就弯曲自如，形成马鞍面这样的形状，空间曲率为负；而如果质能密度不多不少，刚刚好等于临界值的话，那么空间就是绝对平坦的，曲率为零。理论计算的结果表明，这个临界值大约是 2x10负29次方克/立方厘米，大概相当于每立方米存在6个氢原子这样一种密度。最开始的时候，科学家们简单一算，发现物质的量远远小于临界值。现在的宇宙已经膨胀得太大了，物质的平均密度小得可怜，所产生的那点儿引力远不能把宇宙重新弯曲成闭合的曲面，空间的曲率只能是负的。但是正如我们前面看到的，先是发现了暗物质，后又发现了暗能量，这个情况就大大不同了。几十年来天文学家一直在精心测量，目前虽然还没有一个非常确定的结论，但是一颗接一颗的卫星和太空望远镜上天，把我们对宇宙平均质能密度的测量精度推向一个又一个新的高度，让科学家们越来越确信，宇宙的曲率不多不少，恰好是零。这实在有点儿像针尖上的舞蹈，精巧得有点儿让人目眩神迷了。
除了测量质能密度这个思路来研究宇宙的形状，还有一个思路更为直接，那就是直接测量宇宙中一个巨大的三角形的内角和，看看内角和到底是不是180度。方法也很粗暴，就是找三颗相距很远的恒星，然后假想他们之间连起了一个巨大的三角形，通过一些简单的几何换算，来间接测量这个巨大三角形的内角度数，从而确定三角形的内角和。
尽管目前的观测还无法完全确定宇宙空间的曲率到底是三种情况的哪一种，但从我掌握的最新的资料来看，目前大多数天文学家和宇宙学家都更倾向于空间曲率是零或者负，而不是正。近年来越来越多的科学家又更倾向于宇宙空间的曲率刚刚好就是零，我们的宇宙从大尺度的角度来看，是一个完全平坦的宇宙。
但是，无论曲率是零还是负，都可以得出一个推论：宇宙是无限大的。换句话说，如果你朝着宇宙的一个方向一直前进，那么永远永远也不可能再回到原点。
但是请记住，哪怕宇宙的整体是无限的，宇宙的可观测部分却是有限的，这就是可观宇宙的大小。有时候我们说起宇宙的大小，往往指的就是这个概念。因为宇宙一直在膨胀，所以当我们向太空深处极目远眺时，看到的最远的地方其实远远超过138亿光年，根据宇宙膨胀的速度，我们可以计算出我们朝一个方向看最远可达的距离是465亿光年，这就是可观宇宙的半径，那么整个可观宇宙的直径大小就是930亿光年。我还可以用另外一个更加专业一点的方式来讲解什么是可观宇宙，我们假设有一个光子从大爆炸的奇点出发，在膨胀的宇宙中一直飞行了138亿年，就好像一个人在机场的自动人行步道上走了138亿年，那么经过的距离总共是多少呢？根据已知的各种宇宙学参数可以计算出，这个距离就是930亿光年。在宇宙学中，这个距离也被称之为今天宇宙的粒子视界，这个视界会随着宇宙年龄的增长而增长。