如果宇宙在膨胀，为什么我们却会找不到停车位呢？

在加州大学圣克鲁斯分校，我的一位教授同事有件特别的T恤，上面印着一个既搞怪又深刻的问题：“如果宇宙在膨胀，为什么我总是找不到停车位？”

引力和膨胀的对抗

根据广义相对论，质量会使时空弯曲，将物体拉向彼此。对于我们所处的三维空间，可以用二维的橡胶膜来类比想象：放在膜上的物体会造成凹陷，从而将膜上的其他物体吸引过来。在二维的膜上，弯曲发生在看不见的第三维度，而在三维空间中，弯曲发生在看不见的第四维度。但最终的效果是相同的——引力使物体的运动轨迹向质量中心弯曲。

模拟时空的弹性布面，中心大球代表质量巨大的恒星（比如太阳），它的存在使布面发生凹陷；小球代表行星（比如地球），沿着弯曲的表面绕着大球旋转
（视频来源：The PocketLab）

下图描绘了一个星系周围橡皮膜般的时空，说明了局部引力和宇宙膨胀之间的对抗。远处的时空在膨胀，但是当接近图中央的星系时，星系的质量会抵消宇宙膨胀。因此，每个星系周围都存在一个“束缚区”（坠积区），在这个区域内，它的引力影响使时空收缩成静态的、受束缚的区域。这个区域内的物质不再受膨胀或收缩影响，而是以稳定的方式运行。

局部引力对抗宇宙膨胀示意图

可观测的宇宙

人类根据深空观测结果，推断出了哈勃-勒梅特定律——离我们越远的星系，远离我们的速度（退行速度）就越快。可是，如果将这一定律向外推演，最终退行速度会超过光速——这不是违反了爱因斯坦的相对论吗？

通过观测星系光谱的红移量推算出退行速度，并与哈勃-勒梅特定律进行拟合（图片来源：Wikipedia）

事实证明，两者并不矛盾。相对论中有一些细则经常被忽略：爱因斯坦得出的速度极限只适用于在同一个参考系中相对运动的物体。对遥远的星系而言，它们处于因空间膨胀而远离我们的不同参考系中。因此，非常遥远的星系确实能以超光速退行，而不违反爱因斯坦的“法令”。

但问题是，无论观测用的望远镜有多强大，我们都永远无法看到这些以超光速退行的星系（它们也永远无法看到我们），因为它们的光无法到达我们这里。这样的星系位于宇宙视界之外，宇宙视界即从大爆炸以来光有足够时间抵达的最远边界，这个边界定义了人类理论上能观测到的宇宙范围，对应着可观测宇宙的半径。

我们的可观测宇宙有一个中心，就是我们自身！但这并不代表人类是特殊的，因为宇宙中任何位置的观测者对应的可观测宇宙都是以自己为中心的。不过，整个宇宙有一个真正的中心吗？目前尚不可知。如果整个宇宙的大小是有限的，那么它确实必须有一个中心，但这个中心可能远在我们的可观测宇宙之外，而且无法确定这个中心是否具备特殊性。因此，把大爆炸想象成发生在一个特定的地点是没有用的——它同时发生在我们整个宇宙的每一个地方。大爆炸不是空间中的一个点，而是时间中的一个时刻。

21世纪的宇宙起源故事

宇宙演化历程的示意图（图片来源：NASA）

勒梅特认为，如果将宇宙膨胀的过程反向推演，就会达到一个时刻，那时整个宇宙被压缩成一个体积无限小的奇点。那是何时？哈勃常数为我们提供了一个很好的估计，哈勃常数的测量值大约是70千米/（秒·兆秒差距），相当于每年的膨胀率是0.000 000 000 0715。取其倒数，便可得出宇宙从奇点膨胀到今日规模所需要的时间：140亿年。这个简单的计算表明，宇宙的年龄应该在140亿年左右。

宇宙最初是什么样的？首先需要指出的是，奇点可能从未真实存在过。在物理学中，当我们试图将已知的物理定律推广到未知领域时，奇点往往就会出现——此时的计算结果没有意义。事实证明，在这个所谓的奇点之后的10^-43秒内——或者更准确的来说，在普朗克时间内——我们所知道的物理定律失效了。

注：可以认为普朗克时间是现有物理学框架下具有物理意义的最小时间单位。从宇宙时间的零点到一个普朗克时间单位内的阶段，宇宙处于高温高密状态，这一时期称为普朗克时期。

普朗克时间计算公式

要理解为什么一切在普朗克时期陷入混乱，就需要了解自然界的4种基本力。自然界中所有已知的力都可以被归结为4种基本力——我们日常接触到的引力和电磁力，以及维持原子核结构的弱核力和强核力，后2种力只在亚原子尺度上起作用。

在大爆炸后的普朗克时期，宇宙是如此致密，以至于这4种力都被统一为一种“超力”。虽然物理学家已经提出了大统一理论（grand unified theory，GUT）来将弱核力、强核力和电磁力统一到一起，但要将引力也纳入其中却极难实现。爱因斯坦为此倾注了40年心血，但一无所获。当今最伟大的物理学家之一——爱德华·威滕（Edward Witten）也穷尽大半生精力研究这个问题，基于弦理论及其十一维延伸版本M理论展开探索。

4种基本作用力（图片来源：新原理研究所）

统一引力和GUT力，也许是当今粒子物理学面临的最大挑战。然而到目前为止，还没有完备的数学框架能描述这种统一状态。要理解大爆炸后10^-43秒内的宇宙，必须知道如何统一自然界的4种基本力。在这个问题得到解决之前，普朗克时期将是现代物理学无法窥探的知识边界。

宇宙是如何达到普朗克时期这种高温高密状态的，目前还不清楚。这个“初始条件”的起源并不是大爆炸模型的一部分，该模型对于大爆炸从何而来没有任何说明。但是，这并不意味着宇宙学家毫无头绪：从循环宇宙到多重宇宙，从膜碰撞到量子泡沫，各种假说纷纷登场。这里充满了创造性思想的交锋，但尚缺乏决定性的观测证据。不管宇宙是如何进入这种高温高密状态的，所有可用的证据都表明，这就是它在大爆炸后10⁴³秒内的状态。大爆炸理论只是假设这种状态在那个时刻出现，然后向后推演。

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