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開放宇宙(open universe):如果一個宇宙質量不大，引力就不足以降低其膨脹速度，這就叫開放宇宙。
開宇宙的可能
開宇宙的可能
十的十四次方年以後，恆星全部死亡，失去光輝。
星係中衹剩下星係核中的黑洞。
十的十七次方到十的十八次方年以後，宇宙中衹剩下黑洞和死亡的恆星，恆星中的質子開始變得不穩定。
十的二十四次方年以後，質子開始衰變為光子和其他輕子。
十的三十二次方年以後，衰變過程結束，宇宙中衹剩下輕子光子和大黑洞。
十的一百次方年以後，所有的黑洞蒸發，可稱為宇宙末日。
宇宙的閉合
一：星係
渾天說和蓋天說是中國傳統上對宇宙的兩種看法，但這兩種說法所指的天--現代所說的宇宙--不過是地球表面的一小塊地方和在這片地方上的天空及天空中的一切。
希臘人最早意識到了我們腳下所站立的地方是一個球，甚至還測出了地球的真實大小，而且認識到了日月星辰不受其他事務影響在天空中獨立的移動。但是他們認為這些東西都浮在一個透明的球殼上，而恆星是在最外面的球殼上的背景。一直到了183x年，第一次測定了恆星與地球的距離後纔對恆星間距離尺度有了認識。
離我們最近的恆星，距離有4.4光年，而周邊恆星的平均距離，是7.6光年。恆星的分佈看起來並不是各個地方都一樣的，在一個橫斷天空的環形條帶中恆星多得多，顯得十分擁擠，它們的光融成一體，形成一條白霧狀的亮帶，我們稱它為銀河，在其他的天區裏，恆星就要少得多了。19世紀，人們意識到了，許多的恆星聚集在一個形如凸透鏡的空間中，它闊而扁，中間厚邊緣薄。現在的研究讓我們知道這個透鏡狀的恆星集團直徑有十萬光年，包括3000億顆恆星，恆星平均質量大約為太陽的一半。現在，這個恆星集團被稱為銀河係。
1917年美國在加利福尼亞的威爾遜山上安裝了當時最大最好的一臺望遠鏡（口徑100英寸合2.54米，悲哀的是，到現在，中國最大的望遠鏡不過衹有 2米）。利用它，美國天文學家哈勃辨認出了仙女座星雲邊緣處的單顆恆星，由此認定它是一個象銀河係一般大小的恆星集團，這是第一個被確認的，銀河係外的星係。
現在知道仙女座星係距我們230萬光年，而且在任何一個方向上，百億光年或更遠的範圍內，還有着為數衆多的其他星係。整個宇宙是個大的星係集團，，這些星係在宇宙空間中均勻分佈，每個星係都含有幾十億直到幾萬億顆恆星。而彼此距離較近的星係一般會結為星係團，它們靠相互間的引力維係在一起。比如我們所在的星係和仙女座星係以及大小麥哲倫雲和二十來個其他星係（除了仙女座星係和我們，別的都很小）組成了本星係團。天空中能看到其他的星係團，有些要大得多，比如後發座有一個星係團，距我們1.2億光年，大約有一萬個星係。整個宇宙，大約有10億星係團，平均每個星係團有100個星係。
二：膨脹着的宇宙
星係雖然離我們十分遙遠，但是分析從那裏來的光綫，還是可以瞭解到它們的一些情況。
從任何一個物體發出的可見光都是由各種長短的能為我們的眼睛所感知的波長組成的，有些儀器能將這些波長分類，從最短到最長展寬為一條色帶，這色帶叫做光譜。比如，彩虹就是天然光譜。
把星光分解成光譜，會發現缺少某些波長的光，它們是被恆星上層大氣的冷氣體吸收掉了，在光譜條帶中就表現為暗綫。每一種原子衹能吸收特定波長的光，因此根據這些暗綫我們就可以獲得關於目標的化學組成的資料。
1842年，奧地利物理學家多普勒證明：如果一個物體發出固定波長的聲音，那當物體離我們遠去時聲音波長會變長，當朝我們接近時聲音波長會變短。 1848年法國物理學家斐索把這個原理應用於光。根據這種效應，恆星發出的光波，當它運動着離開時波長會變長，光譜中的暗綫也是如此，會朝光譜紅端移動（紅移）。當嚮着我們運動的時候，波長變短，就是藍（紫）移了。
測量一顆恆星的光譜上特定暗綫的位置，還能知道它運動的速度，這是因為運動速度與暗綫移動距離相關，速度越大移動距離越大。1868年，第一次被應用在天狼星上，測出它正離我們遠去。以後測得的大量數據表明，它們有的在嚮我們而來，有的在離我們而去，這結果是理所應當的，因為銀河係是一個整體，它既沒有朝我們運動也沒有背離我們而去。
1912年美國天文學家斯萊弗開始係統測定個星係的譜綫移動，但結果顯示，除了本星係團以外的星係，表現出了驚人的一致性。不論哪種場合這些星係的光都衹表現出紅移，無一例外的離我們遠去，而且速度非常高。離得近的也有幾百千米每秒。1929年，哈勃證明，退行速度與距離成正比，如果甲離我們的距離是乙的三倍，那它的退行速度也是三倍於乙。
為什麽所有的星係都離開我們而去？為要解釋這種現象而又不認為我們所在的本星係團有什麽不同的地方，衹需要承認宇宙在膨脹，所有相鄰星係團之間的距離在不斷增加就行了。也就是說從任何一個星係團裏望去，所有其他星係團都在做退行，而速度根距離成正比。
宇宙為什麽在膨脹？
如果我們讓時間倒流，那麽各星係團看起來就應該是彼此正在靠攏最後聚結成一團。比利時天文學家勒梅特1927年提出，白時間推到很久以前的某一點，宇宙所有物質擠壓在“宇宙蛋”的唯一天體內，這天體爆炸後的碎片形成後來星係。物理學家伽莫夫把這次原始爆炸稱為“大爆炸”，以後大傢都用了這個詞。天文學家認為這發生於大約150億年前。宇宙蛋原來的熵非常低，自爆炸瞬間起熵一直在增加，宇宙鬆開了發條，上次的文章介紹過了這情形。
真的發生過大爆炸麽？
觀測宇宙深入的距離越遠，在時間上回朔的越遠。光的傳播需要時間，如果看見了距離一光年的東西，那光從那裏來花了一年的時間，我們看到的是它一年前的樣子。如果看見了150億年前的東西，那就是它在150一年前大爆炸時的樣子。1965年，貝爾實驗室的彭齊亞斯和威爾遜發現了微波背景輻射，這一輻射很象穿越了150億光年的空間來到我們這裏的大爆炸輻射，這被認為是支持大爆炸的強力證據。
三：收縮宇宙
爆炸以來，宇宙已經膨脹了150億年，但我們不能單憑宇宙現在正在膨脹就斷言它將永遠膨脹下去，這取决於宇宙的引力大小。
“逃逸速度”，指的是離開一個物體，掙脫它的引力束縛所需要的速度。對於宇宙來說，它也有一個逃逸速度。各星係團在引力作用下相互吸引，但在大爆炸的力的作用下它們在反抗引力，嚮四外運動。這意味着可以靠引力拉力去減慢這種膨脹，一點一點的作用，最終有可能停止膨脹。一旦膨脹停止，各星係團就會在引力作用下聚攏，從而出現收縮宇宙。然而由於星係團之間運動的越來越遠，引力隨距離增大而減弱的特性會表現出來，使星係團之間的引力越來越弱。如果膨脹足夠快就會無法製止膨脹。防止膨脹停止所需的最小速度就是宇宙的逃逸速度。
如果各星係團以大於這個速度的膨脹速度分離，宇宙就會一直膨脹，直到熱寂，這就是開放宇宙的結局。如果膨脹速度小於逃逸速度，膨脹會逐漸停止，宇宙最終會實現收縮，重新形成宇宙蛋，以後，再在一次新爆炸中炸開，這就是一個閉合宇宙。現在的問題集中於，宇宙膨脹速度是否超過逃逸速度。
逃逸速度取决於各星係團間彼此引力的大小，這又取决於各星係團的質量和距離，為了計算方便，假定所有物質均勻散布於整個宇宙。計算結果顯示，密度如果大約相當於我們教室的空間內有1000個氫原子，就能保證宇宙是閉合的。然而實際測量顯示宇宙平均密度衹有上面的百分之一，這樣的結果遠不能使宇宙收縮，宇宙是開放的，將一直膨脹到熱寂。
如果對宇宙平均密度有絶對把握，結果就是如此。然而，在計算物質時我們衹計算了星係的質量，位於星係外圍和星係之間的稀疏的塵埃、氣體和恆星，沒什麽可靠的測量方法，它們幾乎完全不可見。然而世界上任何東西小的一定比大的數量多，很有可能大大低估了它們的值。
1977年哈佛研究人員通過x射綫研究，報告說發現有跡象表明一些星係團周圍恆星和塵埃組成的暈圈擁有的質量高達包含在內的星係團內星係質量的5- 10倍，這種暈圈如果普遍存在，就極大的增加了宇宙質量，使開放宇宙變的不大可能。此外在對星係團的研究中，發現如果衹計算星係團各成員星係的質量，那它們的引力無法把它們維持在一起，顯然，星係外的質量沒有計算進去，而它可能要大得多才能保證星係團的存在。總之目前證據暫時有利於開放宇宙，但閉合宇宙的可能性在不斷的變大。
但一個收縮宇宙會最終重現低熵宇宙蛋，這意味着抵觸了熱力學第二定律，這如何解釋？
熱力學第二定律，不過是普通經驗的推廣，我們觀察到無論條件如何，第二定律似乎從未被違反，由此下結論說，第二定律不可能被違反。然而，我們有一件事實無法忽視，就是我們毫無例外的，是在一個膨脹宇宙中進行各種試驗、觀測。由此，至多衹能說熱力學第二定律在膨脹宇宙中不可能被違反。
單憑我們的觀測與實驗，關於熵與一個收縮宇宙間是什麽關係什麽也不能確定。完全可以假定，當宇宙膨脹減慢時熵增加的趨勢慢慢減弱，而宇宙壓縮時，熵減少的趨勢占優勢。這樣，可以認為在一個閉合宇宙中，熵在宇宙膨脹中會逐漸增加，在熱寂前，很可能發生逆轉，宇宙將收縮，熵在收縮階段逐漸減小。由於目前確定的宇宙質量很小，假使它增長到能保證閉合宇宙，也衹是夠數而已。這意味着宇宙膨脹和收縮都會以緩慢的速度變化，是一個長久的過程。
我們目前生活的宇宙，還處在比較短暫的快速膨脹期，宇宙膨脹速度還較快，對應的，還將出現一個快速收縮期，每個時期衹有幾百億年。兩個時期之間，將是一個漫長的實際上靜止的時期。 |
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開宇宙的可能
十的十四次方年以後，恆星全部死亡，失去光輝。
星係中衹剩下星係核中的黑洞。
十的十七次方到十的十八次方年以後，宇宙中衹剩下黑洞和死亡的恆星，恆星中的質子開始變得不穩定。
十的二十四次方年以後，質子開始衰變為光子和其他輕子。
十的三十二次方年以後，衰變過程結束，宇宙中衹剩下輕子光子和大黑洞。
十的一百次方年以後，所有的黑洞蒸發，可稱為宇宙末日。 |
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一：星係
渾天說和蓋天說是中國傳統上對宇宙的兩種看法，但這兩種說法所指的天--現代所說的宇宙--不過是地球表面的一小塊地方和在這片地方上的天空及天空中的一切。
希臘人最早意識到了我們腳下所站立的地方是一個球，甚至還測出了地球的真實大小，而且認識到了日月星辰不受其他事務影響在天空中獨立的移動。但是他們認為這些東西都浮在一個透明的球殼上，而恆星是在最外面的球殼上的背景。一直到了183x年，第一次測定了恆星與地球的距離後纔對恆星間距離尺度有了認識。
離我們最近的恆星，距離有4.4光年，而周邊恆星的平均距離，是7.6光年。恆星的分佈看起來並不是各個地方都一樣的，在一個橫斷天空的環形條帶中恆星多得多，顯得十分擁擠，它們的光融成一體，形成一條白霧狀的亮帶，我們稱它為銀河，在其他的天區裏，恆星就要少得多了。19世紀，人們意識到了，許多的恆星聚集在一個形如凸透鏡的空間中，它闊而扁，中間厚邊緣薄。現在的研究讓我們知道這個透鏡狀的恆星集團直徑有十萬光年，包括3000億顆恆星，恆星平均質量大約為太陽的一半。現在，這個恆星集團被稱為銀河係。
1917年美國在加利福尼亞的威爾遜山上安裝了當時最大最好的一臺望遠鏡（口徑100英寸合2.54米，悲哀的是，到現在，中國最大的望遠鏡不過衹有 2米）。利用它，美國天文學家哈勃辨認出了仙女座星雲邊緣處的單顆恆星，由此認定它是一個象銀河係一般大小的恆星集團，這是第一個被確認的，銀河係外的星係。
現在知道仙女座星係距我們230萬光年，而且在任何一個方向上，百億光年或更遠的範圍內，還有着為數衆多的其他星係。整個宇宙是個大的星係集團，，這些星係在宇宙空間中均勻分佈，每個星係都含有幾十億直到幾萬億顆恆星。而彼此距離較近的星係一般會結為星係團，它們靠相互間的引力維係在一起。比如我們所在的星係和仙女座星係以及大小麥哲倫雲和二十來個其他星係（除了仙女座星係和我們，別的都很小）組成了本星係團。天空中能看到其他的星係團，有些要大得多，比如後發座有一個星係團，距我們1.2億光年，大約有一萬個星係。整個宇宙，大約有10億星係團，平均每個星係團有100個星係。
二：膨脹着的宇宙
星係雖然離我們十分遙遠，但是分析從那裏來的光綫，還是可以瞭解到它們的一些情況。
從任何一個物體發出的可見光都是由各種長短的能為我們的眼睛所感知的波長組成的，有些儀器能將這些波長分類，從最短到最長展寬為一條色帶，這色帶叫做光譜。比如，彩虹就是天然光譜。
把星光分解成光譜，會發現缺少某些波長的光，它們是被恆星上層大氣的冷氣體吸收掉了，在光譜條帶中就表現為暗綫。每一種原子衹能吸收特定波長的光，因此根據這些暗綫我們就可以獲得關於目標的化學組成的資料。
1842年，奧地利物理學家多普勒證明：如果一個物體發出固定波長的聲音，那當物體離我們遠去時聲音波長會變長，當朝我們接近時聲音波長會變短。 1848年法國物理學家斐索把這個原理應用於光。根據這種效應，恆星發出的光波，當它運動着離開時波長會變長，光譜中的暗綫也是如此，會朝光譜紅端移動（紅移）。當嚮着我們運動的時候，波長變短，就是藍（紫）移了。
測量一顆恆星的光譜上特定暗綫的位置，還能知道它運動的速度，這是因為運動速度與暗綫移動距離相關，速度越大移動距離越大。1868年，第一次被應用在天狼星上，測出它正離我們遠去。以後測得的大量數據表明，它們有的在嚮我們而來，有的在離我們而去，這結果是理所應當的，因為銀河係是一個整體，它既沒有朝我們運動也沒有背離我們而去。
1912年美國天文學家斯萊弗開始係統測定個星係的譜綫移動，但結果顯示，除了本星係團以外的星係，表現出了驚人的一致性。不論哪種場合這些星係的光都衹表現出紅移，無一例外的離我們遠去，而且速度非常高。離得近的也有幾百千米每秒。1929年，哈勃證明，退行速度與距離成正比，如果甲離我們的距離是乙的三倍，那它的退行速度也是三倍於乙。
為什麽所有的星係都離開我們而去？為要解釋這種現象而又不認為我們所在的本星係團有什麽不同的地方，衹需要承認宇宙在膨脹，所有相鄰星係團之間的距離在不斷增加就行了。也就是說從任何一個星係團裏望去，所有其他星係團都在做退行，而速度根距離成正比。
宇宙為什麽在膨脹？
如果我們讓時間倒流，那麽各星係團看起來就應該是彼此正在靠攏最後聚結成一團。比利時天文學家勒梅特1927年提出，白時間推到很久以前的某一點，宇宙所有物質擠壓在“宇宙蛋”的唯一天體內，這天體爆炸後的碎片形成後來星係。物理學家伽莫夫把這次原始爆炸稱為“大爆炸”，以後大傢都用了這個詞。天文學家認為這發生於大約150億年前。宇宙蛋原來的熵非常低，自爆炸瞬間起熵一直在增加，宇宙鬆開了發條，上次的文章介紹過了這情形。
真的發生過大爆炸麽？
觀測宇宙深入的距離越遠，在時間上回朔的越遠。光的傳播需要時間，如果看見了距離一光年的東西，那光從那裏來花了一年的時間，我們看到的是它一年前的樣子。如果看見了150億年前的東西，那就是它在150一年前大爆炸時的樣子。1965年，貝爾實驗室的彭齊亞斯和威爾遜發現了微波背景輻射，這一輻射很象穿越了150億光年的空間來到我們這裏的大爆炸輻射，這被認為是支持大爆炸的強力證據。
三：收縮宇宙
爆炸以來，宇宙已經膨脹了150億年，但我們不能單憑宇宙現在正在膨脹就斷言它將永遠膨脹下去，這取决於宇宙的引力大小。
“逃逸速度”，指的是離開一個物體，掙脫它的引力束縛所需要的速度。對於宇宙來說，它也有一個逃逸速度。各星係團在引力作用下相互吸引，但在大爆炸的力的作用下它們在反抗引力，嚮四外運動。這意味着可以靠引力拉力去減慢這種膨脹，一點一點的作用，最終有可能停止膨脹。一旦膨脹停止，各星係團就會在引力作用下聚攏，從而出現收縮宇宙。然而由於星係團之間運動的越來越遠，引力隨距離增大而減弱的特性會表現出來，使星係團之間的引力越來越弱。如果膨脹足夠快就會無法製止膨脹。防止膨脹停止所需的最小速度就是宇宙的逃逸速度。
如果各星係團以大於這個速度的膨脹速度分離，宇宙就會一直膨脹，直到熱寂，這就是開放宇宙的結局。如果膨脹速度小於逃逸速度，膨脹會逐漸停止，宇宙最終會實現收縮，重新形成宇宙蛋，以後，再在一次新爆炸中炸開，這就是一個閉合宇宙。現在的問題集中於，宇宙膨脹速度是否超過逃逸速度。
逃逸速度取决於各星係團間彼此引力的大小，這又取决於各星係團的質量和距離，為了計算方便，假定所有物質均勻散布於整個宇宙。計算結果顯示，密度如果大約相當於我們教室的空間內有1000個氫原子，就能保證宇宙是閉合的。然而實際測量顯示宇宙平均密度衹有上面的百分之一，這樣的結果遠不能使宇宙收縮，宇宙是開放的，將一直膨脹到熱寂。
如果對宇宙平均密度有絶對把握，結果就是如此。然而，在計算物質時我們衹計算了星係的質量，位於星係外圍和星係之間的稀疏的塵埃、氣體和恆星，沒什麽可靠的測量方法，它們幾乎完全不可見。然而世界上任何東西小的一定比大的數量多，很有可能大大低估了它們的值。
1977年哈佛研究人員通過x射綫研究，報告說發現有跡象表明一些星係團周圍恆星和塵埃組成的暈圈擁有的質量高達包含在內的星係團內星係質量的5- 10倍，這種暈圈如果普遍存在，就極大的增加了宇宙質量，使開放宇宙變的不大可能。此外在對星係團的研究中，發現如果衹計算星係團各成員星係的質量，那它們的引力無法把它們維持在一起，顯然，星係外的質量沒有計算進去，而它可能要大得多才能保證星係團的存在。總之目前證據暫時有利於開放宇宙，但閉合宇宙的可能性在不斷的變大。
但一個收縮宇宙會最終重現低熵宇宙蛋，這意味着抵觸了熱力學第二定律，這如何解釋？
熱力學第二定律，不過是普通經驗的推廣，我們觀察到無論條件如何，第二定律似乎從未被違反，由此下結論說，第二定律不可能被違反。然而，我們有一件事實無法忽視，就是我們毫無例外的，是在一個膨脹宇宙中進行各種試驗、觀測。由此，至多衹能說熱力學第二定律在膨脹宇宙中不可能被違反。
單憑我們的觀測與實驗，關於熵與一個收縮宇宙間是什麽關係什麽也不能確定。完全可以假定，當宇宙膨脹減慢時熵增加的趨勢慢慢減弱，而宇宙壓縮時，熵減少的趨勢占優勢。這樣，可以認為在一個閉合宇宙中，熵在宇宙膨脹中會逐漸增加，在熱寂前，很可能發生逆轉，宇宙將收縮，熵在收縮階段逐漸減小。由於目前確定的宇宙質量很小，假使它增長到能保證閉合宇宙，也衹是夠數而已。這意味着宇宙膨脹和收縮都會以緩慢的速度變化，是一個長久的過程。
我們目前生活的宇宙，還處在比較短暫的快速膨脹期，宇宙膨脹速度還較快，對應的，還將出現一個快速收縮期，每個時期衹有幾百億年。兩個時期之間，將是一個漫長的實際上靜止的時期。 |
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