【颠覆认知】宇宙中的物质是有限还是无限？很多科普书都写错了

精力束台经

上期节目之后，我收到一个读者的提问：汪老师，宇宙怎么就能无穷无尽，无限下去呢？
你是否跟她一样，对“宇宙无限大”的概念感到不可思议？不用困惑，今天我来试着帮你们理解一下。
01 超光速，可以有

我想大家应该都知道光速极限这个概念吧。在我们这个宇宙中，任何物体的运动速度都无法超过光速，也就是 30 万千米每秒。这是爱因斯坦的相对论成立的基本前提。
不过，这个前提如果说得更准确一点，其实是宇宙中任何能量或者信息的传播速度无法超过光速。也就是说，一个系统如果想要影响到另一个系统，有一个速度极限，就是光速。只要不违反这个原则，超光速就是允许的。

在光速下，阳光从太阳到达地球平均需要 8 分 17秒

比如说，距离我们十分遥远的星系，相对于银河系的退行速度，就是向后退的速度是完全可以超过光速的，这并不违反相对论，因为这种相对速度没有传递能量或者信息，银河系和另外一个遥远的星系不会产生任何影响。

位于大熊座的 GN-z11 星系是迄今为止发现的距离地球最远的星系之一

天文学家早就通过观测证实，离我们越远的星系，相对我们的退行速度也越快，那些退行速度已经超过光速的星系，我们永远永远也看不到了，因为它们发出的光永远也不可能抵达地球。反过来也一样，银河系发出的光永远也不可能追上这些星系。
连光都追不上，更不要说宇宙飞船了，也就是说你朝着宇宙的一个方向飞，哪怕能达到光速，也飞不到宇宙的尽头，因为你的前方还有无数跑得比你更快的星系。这样是不是好理解一点宇宙无限大的概念？

哪怕宇宙飞船朝着一个方向一直飞，也永远飞不到宇宙的尽头

请记住，讲到这里，我们所指的宇宙的大小都是空间拓扑结构上的大小，我们所说的宇宙无限大，指的是宇宙在空间结构上的无限，也就是说，如果我们朝任何一个方向飞，都碰不到边界或者不会回到出发地，那我们就把这种情况定义为无限。
02 可观宇宙是什么？

这里还要介绍一个非常有意思的概念，叫做“可观宇宙”，就是“可以被我们看到的宇宙”的意思。
可观宇宙是实实在在有大小的，它的半径是 460 亿光年左右，直径就是 920 亿光年左右，也有说 465 和 930 的，但这个不重要，尺度大到这种程度上，误差 10 亿光年不算什么。你们经常会在一些科普书或者科普视频中看到，说我们的宇宙半径是 460 亿光年，指的其实是“可观宇宙”的大小。

可观宇宙的大小，直径约 930 亿光年

那这个可观宇宙的概念是怎么来的呢？其实是由于光速有限造成的。
当我们望向遥远的宇宙深处时，我们在空间上看得有多远，其实就是在时间上看得有多久远，这两者其实是一体两面的。比如说，仙女座大星系距离我们 250 万光年，也就是意味着，从仙女座大星系发出的光，要经过 250 万年才能抵达地球，所以我们现在看到的就是它 250 万年前的样子。同样的道理，当我们望向一个几亿光年外的星系时，我们看到的其实是它几亿年前的样子。

仙女座大星系

我们都知道宇宙的年龄大约是 138 亿岁，也就是说，我们所能看到的最古老的光子，也不会超过 138 亿年前发出的。那么问题来了，既然最古老的光子也只有 138 亿岁，为啥可观宇宙的半径不是 138 亿光年，而是 460 亿光年呢？
因为宇宙在膨胀。这些光子在飞行的过程中，宇宙本身也在膨胀。你可以把光子想象成一个在机场的自动步道上行走的人，人走过的距离要加上自动步道运动的距离才是这个人相对于观察者移动的距离。所以，我们在夜空中看到的任何一个星系，它到我们的距离是光子飞行的距离再加上宇宙本身膨胀出来的距离。

宇宙是膨胀的

科学家们根据宇宙膨胀的速率就可以计算出，我们理论上能看到的最古老的光子，距离我们大约 460 亿光年，这就是可观宇宙的概念。但我们千万不要把可观宇宙误以为整个宇宙的大小，超出 460 亿光年外的星系不是不存在，只是它相对我们的退行速度已经超过了光速，我们永远永远也不可能看到了。
03 宇宙只只只剩下银河系？

讲到这里，我不得不跟大家说一个很悲观的结论。因为我们的宇宙一直在加速膨胀，所以，几乎所有的星系都在相对于我们在加速远离而去。那么，总有一天，哪怕是离我们最近的星系，远离我们的速度也会超过光速，那时候如果银河系还有智慧文明存在，他们看到的宇宙就只剩下了银河系本身。银河系就是全宇宙。
有时候想想，我们能生活在现在这样一个宇宙时代，也是幸运的，我们还能看到一个百花怒放、千姿百态的宇宙。未来的智慧文明就未必有这么幸运了。
如果你对天文学史有一点了解，就会知道，最早的时候，地球人也认为银河系就是全宇宙，后来天文学家们发现了河外星系，才了解到宇宙中其实有无数个星系。而到了遥远的未来，那时候的智慧文明就又会回到 100 多年前人类对宇宙的认知了。假如人类文明发现的宇宙知识能流传到那时候，那么，满宇宙都是千姿百态的星系，将成为一个上古传说。

1922 年已知宇宙的大小 VS 现在已知的宇宙大小

04 很多科普书都把这个写错了

讲完了宇宙在空间上的大小概念，我们来看关于宇宙的另外一问：宇宙中的物质是无限多还是有限多的？
有意思的是，关于这个问题，有一些著名的科普作家都会失误。有很多科普书或者科普文章，在介绍完了现代最新的认知是倾向于宇宙无限大时，很自然地就因此推论出，既然宇宙是无限大的，那就会包含无限多的物质，而无限多的物质意味着，从概率的角度来说，在遥远的宇宙深处，就必然会有一个地球的副本，有一个一模一样的你我。这个在数学上完全成立，极其有意思的概念就出自著名科普作家格林的经典科普著作《隐藏的现实：平行宇宙是什么》这本书。

我不知道大家是否能理解刚才我说的这个“从概率的角度来说”的意思。因为很有意思，我岔开去多讲两句。中学学概率的时候，我们都学过抽屉原理，如果有 8 个小球要放到 7 个抽屉中，必然会有一个抽屉中要放 2 个小球。

抽屉原理示意

地球可以看成是无数个原子的组合，只要原子的总数是有限的，那么用这些原子可以组成的不同排列形式也是有限的，有限的排列形式就好像是抽屉，而宇宙中的物质如果是无限多的，那就相当于有无限多个小球要放进有限的抽屉中，必然会出现一个抽屉中不止有一个球的情况。也就是说，地球这种原子排列组合方式，在宇宙中不会只出现一次，它必然会重复出现。
从数学上来讲，这确实是成立的。但可惜，格林在这里出现了失误，空间上无限大的宇宙并不等同于物质上也必然是无限多的。
05 一切始于这个奇怪的点

我们都知道，宇宙诞生于 138 亿年前的一次大爆炸，在大爆炸的零时刻，整个宇宙都包含在一个被称为奇点的非常小的空间中，它的大小还不如一个原子大。换句话说，在宇宙大爆炸的最初阶段，宇宙空间并不是平坦的，而是有着非常大的曲率，在这样一个有限的空间中，包含的物质也是有限的。
一个物质数量上有限的宇宙不可能变成物质数量上无限的宇宙。在经历了一次短暂而疯狂的暴胀后，宇宙被炸成了一个在空间曲率上完全平坦的宇宙，以至于在拓扑结构上，变成了一个无限大的空间结构。

宇宙大爆炸

但是，认识到这里，宇宙中到底包含了多少物质这个问题并没有解决。从理论上来说，因为能被我们看到的宇宙空间是有限的，也就是我们前面说的可观宇宙的大小是半径 460 亿光年的一个球体，所以，我们永远不可能靠天文观测来测定宇宙中物质的总量。要解决这个问题，只能靠纯理论上的推导。换句话说，科学家们只有通过理论来推导在宇宙大爆炸时的奇点中，包含了多少物质。

但遗憾的是，这个问题目前没有答案，原因是，人类目前关于描述宇宙的最好理论，也就是广义相对论恰恰无法对奇点进行描述。
那么，宇宙中的物质是无限多还是有限多的？这个问题有答案吗？我们下期接着聊。