很多朋友都會問下面這些問題：誰給大爆炸提供了能量？為什麼沒有炸出來反物質呢？大爆炸之前是什麼？大爆炸的中心在哪裏？宇宙的邊在哪裏？我們會跟着宇宙一起膨脹嗎？宇宙會一直膨脹下去嗎？宇宙的未來是什麼？
這些問題，有些是大家的誤解，有些學術界目前也不能給出確定的回答。更重要的是，如果上網搜索，你會看到各種稀奇古怪的回答，但是在正規的天文學書裏卻找不到這些問題的答案，或者即使找到了，你也會被那些學術術語和複雜的公式方程嚇退。
在這堂課裏面，我將澄清一些誤解，也對那些學術界一般不用通俗的語言解釋甚至還沒有確切答案的問題，儘量給讀者做一些初步的介紹和回答，滿足讀者的好奇心。
誰給大爆炸提供了能量
“砰”的一下，就炸出來了一個宇宙，產生了這麼多物質和天體，而且這些天體今天還在宇宙中飛跑，那得多少能量啊！這些能量都是從哪裏來的呢？
其實在宇宙中，爆炸是經常發生的，而且不一定要從外邊提供什麼能量。比如，大家都聽説過超新星爆發，而超新星爆發就不需要外部提供能量，它自己就爆炸了。簡單地説，如果有一大團物質，在自身的引力作用下就會發生收縮，我們叫作引力坍縮。在這個收縮過程中，引力勢能轉化成為物質的動能，所以在沒有其他事情發生的情況下，這些高速運動的物質最後就會撞在一起，發生一個劇烈的爆炸。但是這並不是我們看到的超新星爆發，原因在於：這一團物質收縮的過程中的確會發生其他事情，比如形成了恆星和行星，我們的太陽系就是這麼形成的。
恆星靠它內部的核聚變產生能量來抵抗進一步的引力收縮，但是恆星內部的核聚變過程最終是會停止的，失去了內部能源的恆星只好繼續做引力坍縮。接下去就有兩種可能了：一種可能就是在中心首先形成了一個黑洞，那麼剩下的物質跑到了黑洞視界面就直接進去了，所以不會發生超新星爆發，銀河系內的有些黑洞就是這麼形成的。但是如果中心先形成了一箇中子星，外面的物質並不知道，仍然高速衝進去，撞到了中子星很硬的表面，就會被反彈回去，這就是超新星爆發。所以，產生超新星爆發並不需要額外提供能量。
但是宇宙一開始可是什麼都沒有，靠引力坍縮引發宇宙大爆炸很顯然不可行，那麼怎麼辦呢？一個出路就是奇點。我們一般認為，黑洞的中心是一個奇點，那裏的各種物理量都發散， 尤其是能量和物質密度都是無窮大。既然是無窮大，那麼奇點爆發產生出來一個宇宙就可能了。但是黑洞的奇點是被黑洞的視界包圍着的，不會影響黑洞外面的世界。然而，如果有一個沒有被黑洞視界包圍的奇點， 這個奇點就可以產生宇宙大爆炸了。霍金和彭羅斯於1970年證明了一個奇點定理，而奇點定理要求的條件看來是可以滿足的。於是，宇宙大爆炸需要的奇點就可以有了。
但是，讀者們可能又要問了：奇點是從哪裏來的呢？奇點產生之前是什麼呢？這就不是大爆炸理論所能夠回答的了。
為什麼沒有炸出來反物質？
前面提到，大爆炸開始產生了高速運動的夸克、膠子、電子等基本粒子及其反粒子，因為按照現有的粒子物理標準模型，正反粒子總是成對產生的，而且在我們的高能粒子對撞機中，也總是觀察到正反粒子是一起產生的。但是，為什麼今天的宇宙中就只有物質而沒有反物質呢？為什麼宇宙一開始產生了同樣數量的正反粒子，但是最後反粒子都消失了以至於沒有形成反物質呢？
可能你會問，也許就是地球上沒有反物質，宇宙其他地方的反物質可能就很多呢？這種可能性已經被觀測否定了，因為我們可以觀測到來自宇宙中其他地方的宇宙射線，這些宇宙射線中除了少數是在後來的高能作用過程中產生的反粒子之外，根本就沒有原初的反物質宇宙射線。這就是困擾當前科學界的一個重大疑難：宇宙反物質丟失之謎。
還沒有答案不等於完全沒有線索，而這個線索很可能就和神奇的中微子有關係。我們在這裏不談太多的物理學前沿問題，關於中微子的很多有趣故事就略過不講了。長話短説，同樣也是按照現有的粒子物理標準模型，中微子是不應該有質量的，但是多年前科學家發現，觀測到的來自太陽的中微子的數量比根據理論模型計算出來的少了大約1/3，這就是著名的太陽中微子短缺之謎。
但是後來發現，原來太陽產生出來的中微子真的沒有少，只是在傳播到地球的過程中，有些中微子變成了其他類型的中微子，但是一開始只測量了一種中微子，後來就把這些中微子找回來了。一種中微子能夠自發地變成另外一種中微子的過程就叫作中微子振盪，而中微子振盪背後的理論機制就是中微子有質量。2015 年的諾貝爾物理學獎就授予了物理學家梶田隆章和阿瑟·麥克唐納，獎勵他們發現了中微子振盪。
那麼，為什麼中微子違反了粒子物理標準模型而具有質量呢？我們目前並沒有答案，但是有一些研究表明，這很可能就和宇宙的反物質丟失之謎有關。所以，研究小小的幾乎沒有質量的中微子，竟然有可能揭開關於宇宙大爆炸的重大疑難。
大爆炸之前是什麼？
宇宙的中心在哪裏？
刨根問底是有科學素養的一個表現。我在做科普報告的時候，經常會聽到這些問題：那麼大爆炸之前是什麼？宇宙的中心在哪裏？
在大爆炸理論的框架下，是沒有大爆炸之前這個問題的，因為大爆炸理論只能回答大爆炸以後的事情，而霍金和彭羅斯的奇點定理又把允許大爆炸的發生推給奇點，奇點本身是沒有之前的，奇點消失了才產生了大爆炸，所以只有以後。當然，奇點定理是廣義相對論框架下的結果， 如果我們考慮量子力學效應，那麼就不允許這樣的奇點存在，因為在量子理論裏面，在極高密度和極高能量下，量子漲落必然非常強烈，時間和空間都會變得不確定，所能夠允許的最短時間就是所謂的普朗克時間， 也就是10-43秒。既然不允許比這個時間更短，當然就沒有零時間，也就沒有零之前的時間了，當然就根本沒有奇點之前這個概念了。
我們觀測到所有遙遠的天體都是背對我們膨脹，似乎我們處於宇宙膨脹的中心，但這只不過是我們的觀測視覺效應。其實在宇宙中的任何地方觀測，都會看到所有遙遠的天體也都是同樣的背對我們膨脹，而這正是對哈勃定律的最簡單解釋。
從另外一個方面思考，既然我們的宇宙是產生於一個奇點，我們總可以問這個點在哪裏吧？其實這也是一個誤解。我們説的奇點，並不真的是已有空間中的一個無限小的區域，而指的是所有地方的密度和能量都無限大的一種宇宙狀態。那時候宇宙中處處的密度和能量都無限大， 也就是整個宇宙都是奇點，並不是指宇宙是一個點，因此就沒有宇宙的中心是哪裏這個問題了，因為處處都是中心也都不是中心。
就只能把鍋甩給奇點嗎？
用奇點作為宇宙大爆炸開始的“接鍋俠”，雖然簡單，但是並不能令人滿意，因為這隻能解釋奇點是可能出現的，不但沒有回答為什麼會有奇點，而且不能説明就必須有奇點。大爆炸宇宙學模型還有其他困難， 最主要的是三個，即磁單極粒子、巧合性和視界疑難。
英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac，1902—1984）早在1931年就利用數學公式預言了磁單極粒子的存在。當時他認為既然帶有基本電荷的電子在宇宙中存在，那麼根據對稱性，理應帶有基本“磁荷”的粒子存在。在這之前，狄拉克就用類似的方法成功地預言了正電子的存在，從此開啓了研究反物質粒子之門，所以狄拉克的預言就引起了大家的重視。後來的粒子物理大統一理論也預言了磁單極粒子的存在。然而， 尋找磁單極粒子的各種實驗都沒有探測到磁單極粒子，儘管不能排除磁單極粒子的存在，但是至少説明宇宙中磁單極粒子非常少。
第二個疑難是巧合性問題，儘管宇宙中的天體多姿多態，宇宙整體的參數太像是人為給出來的，比如宇宙的所有物質和能量之和貌似恰好讓宇宙的時空是平坦的，而在廣義相對論裏面，彎曲時空才是自然的。
第三個疑難是視界問題。由於宇宙整體的尺度非常大，比如相距最遠的兩端的距離是接近500 億光年遠，而宇宙的年齡只有不到140億年， 所以即使以光線聯繫，相距最遠的兩端也不可能建立任何因果關係，因為不可能出現超光速的通信。但是，各種觀測表明，宇宙對面的“模樣”竟然幾乎一樣，似乎私下裏已經有過了交流，它們是怎麼交流的呢？
為了解決這個問題，當時年輕的物理學家阿蘭·古斯（Alan Guth， 1947—）就提出了一個古怪的想法：其實現在距離特別遠的宇宙，一開始距離很近，是可以建立因果關係的，而且也進行了充分的交流，當然那時候宇宙的密度和能量特別高，所以也有很多磁單極粒子，然後突然宇宙就開始了一個比大爆炸還厲害得多的膨脹，被稱為暴脹。在這個期間，宇宙的尺度不是按照哈勃定律那樣線性增加，而是指數增加，在幾乎注意不到的極短時間內，宇宙的尺度就變得比較大了，原來正在密切交流的局域還沒有來得及説“再見”就已經到了以光速通信也不可能了，所以後來儘管分開得已經很遠了，但是當時的模樣被保留了下來。這樣就解決了視界問題。
可以在這個框架下計算，即使一開始宇宙很不平坦，但是由於膨脹的速度太快，任何不平坦都會瞬間被拉平，與最簡單的整理牀單有異曲同工之妙。拉平之後，誰又能知道以前是怎麼凹凸不平的呢？同樣，即使一開始宇宙中磁單極粒子很多，但是由於膨脹的速度太快了，根本來不及產生新的磁單極粒子，到了正常的大爆炸階段，宇宙中的磁單極粒子密度就已經非常低了，所以現在根本就探測不到了。
所以，暴脹宇宙學模型竟然一石三鳥就解決了困擾標準大爆炸模型的三個疑難問題。當然，用暴脹模型作為宇宙大爆炸的開始，也自然避免了我們前面説的奇點問題。
本書用簡潔和通俗的語言，以講故事和回答問題的方式介紹了天文學對人類認識宇宙的幾次飛躍、天文學和現代自然科學的關係、科學和文化的關係，以及天文愛好者和公眾最關心的天文學的若干主題與最新進展。本書的主要內容取自作者廣受歡迎的分答小講“極簡天文課”，並在原來內容的基礎上進行了一定的修改和補充，配上生動的插圖，加入與聽眾的互動內容，進一步增加了可讀性，解答了公眾關心的相關問題。本書可供對科學、宇宙和未來充滿興趣的大眾讀者閲讀。
作者：張雙南
編輯：張莉
排版：凝音
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