如果宇宙无穷大，时间是否是无限久？| 张双南专栏

张双南，中国科学院高能物理研究所研究员，中国科学院粒子天体物理重点实验室主任。1984年获清华大学学士学位。1989年获英国南安普敦大学博士学位。1989－1992年美国宾西法尼亚大学博士后。

他是分答上收听量过万的科学家，他是会写诗的天文学家。

有人问，能否1分钟内和大家介绍下您的研究？他回答：“我的科学研究是通过天文观测和理论计算来理解黑洞、星系、星系团以及宇宙演化，另一方面是做空间天文仪器的研制。我对两件事很感兴趣，宇航员到黑洞旅行会发什么，还有就是宇宙中的物质最终是否都会归于黑洞。业余时，我还喜欢研究美学，也喜欢写写诗。”

科学人特推出张双南专栏，收集整理分答上张双南的提问及回答 , 好的答案应该共享。本文为张双南专栏第九则。

第九则

如果宇宙无穷大，时间是否是无限久？

宇宙到底有多大？宇宙外面有什么？什么是黑洞？宇宙和黑洞的的空间维度、时间维度是多少？在这片美丽的星空、神秘的宇宙之中，还有好多奥秘等待我们去探索和发现。本期张双南专栏——告诉我们关于宇宙的那些事儿。

提问：生物由细胞组成，再往下还能分成分子、原子等。而星系组成河系，河系组成宇宙，那么我们的宇宙会不会是一个庞大生物呢？

张双南：首先赞扬您想象力丰富。但是想象力再丰富，咱也不能偏离基本的事实。地球是宇宙当中的一个天体，那么您觉得地球是活的吗？月亮也是一个天体，但是月亮上显然啥都没有。没有嫦娥，没有玉兔，任何活的都没有。所以地球、月亮这些天体怎么能是生物的一部分呢？太阳更不用说，热得一塌糊涂，也不可能是生物的一部分。宇宙是由天体组成的，怎么说也不能说是一个生物。但是要是给儿童讲故事，这种拟人化的表达倒是很有趣，我不反对。

提问：宇宙有多大？她外面的外面是什么？

张双南：我们并不真的知道宇宙有多大。目前我们观测到的宇宙的范围大概是半径为460亿光年的范围。宇宙很显然应该比这个范围大。至于多大，我们目前不知道。有的理论模型说——我们的宇宙是有限的，但是没有边；有的理论模型说——我们的宇宙是无限大的当然就没有边；还有的模型说——我们的宇宙是有限的而且有边。那么，在最后这种情况下，这个边外面就只能是另外一个宇宙了。

提问：我有个猜想，就是——银河系是宇宙中的小泥土，太阳系就像一个原子，而太阳是原子核，八大行星是电子。您怎么看这样的猜想？

张双南：作为宇宙中不同天体的尺度的类比，您这么说问题不大。但是这不是猜想，因为猜想是科学理论的初步阶段，经过进一步的科学研究的实证有可能变成科学理论。而实证既包括证实也包括证伪两部分，在此就不细说了。我写了文章详细阐述过。宇宙和宇宙中的天体，我们已经了解的比较清楚了，太阳的成分和行星的成分也很清楚了。这些都是建立在科学实证的基础上的，很显然不是您说的那样。事实上，关于原子的性质，最初玻尔提出的原子由原子核和电子组成的模型就是类比了太阳系。这相当于是一个猜想，后来经受住了实证的考验，最终发展成了现在的量子力学体系。

追问：老师，您提到您写的那篇文章，哪里可以看到？

张双南：到百度输入 张双南 普京 就可以看到。就是俄罗斯的那位普京，不是开玩笑的哈。您试一下就知道了。

提问：太阳有“寿命”吗？如果有，她大概能够燃烧多少年？如果没有太阳，一切生命将难维持？

张双南：太阳当然有寿命。根据我们对恒星的理解，太阳还可以继续燃烧大约50亿年。如果没有太阳，地球上的生命系统就无法维持。

追问：今后，人类能够造小太阳吗？

张双南：我们也许能够造出人造小太阳，也就是人工可控热核聚变。但是，这样的小太阳能够提供的是人类生活所需要的能源，并不能维持地球为一个宜居的星球，也不能提供地球上的植物生长所需要的能源，当然也就无法维持一个完整的生态系统。

提问：原始的宇宙是一个十维空间，大爆炸后分裂为一个四维和一个六维空间。请问，六维空间存在长宽高维度吗？

张双南：首先需要说明，多维宇宙只是一个模型或者理论假说。现在并没有得到观测或者实验的验证。在超弦理论模型里，宇宙大爆炸开始的时候，我们的宇宙有十维。大爆炸之后，很快就只剩下了三维的空间和一维的时间。另外的六维不是分立出来了，而是隐藏起来了。也就是说，这些维度的空间尺度比我们现在能够测量的尺度小得非常的多。现在有一些实验要试图探测这些额外的尺度中非常小的维度。这些维度不存在所谓的长宽高这样的概念。长宽高只是我们三维空间里面的概念。

追问：黑洞的空间维度应该是多少？

张双南：黑洞的维度与黑洞所处的空间有关。不同维度的空间里面就有不同维度的黑洞。三维空间中的黑洞也是三维的。但是如果你只处于黑洞的视界处，那么你感受到的就是一个二维的宇宙。

电影《星际穿越》中的黑洞。图片来源：《星际穿越》

提问：宇宙学里时间维度是一种抽象存在吗？如果宇宙无穷大，那么时间也是无限久的吗？

张双南：宇宙学里的时间维度就是我们的时间。用的单位和表达的意思都是一样的。关于宇宙的大小，一般认为宇宙不是无限大的。宇宙是有限的，但是也没有边界。就像三维的球的表面是有限的，但是生活在球面上的二维生物就找不到边界。时间是否无限，取决于我们的宇宙最终的命运。如果我们的宇宙会永远存在下去，那么我们的宇宙的时间就会是无限的。但是我们尚不清楚我们的宇宙最终的命运是什么，这在很大程度上取决于暗能量的性质。但是我们还不理解暗能量。

追问：黑洞内存在时间吗？

张双南：黑洞内当然有时间，只不过和黑洞外面的时间不同。有些理论模型说，我们的宇宙就是一个巨大的黑洞的内部。

追问：我们住在黑洞内部？这太可怕了吧。

张双南：如果我们住在一个静态的黑洞内部，那么我们都必须很快地向黑洞中心落去。当然，这和我们看到的宇宙在膨胀是矛盾的。但是，如果我们是在一个处于不断吞噬周围物质、从而不断增长中的黑洞的内部，由于黑洞的半径和质量成正比，这个黑洞内部的物质密度就会随时间减少。如果黑洞内部有很多天体的话，在大尺度上这些天体的距离就会增加。这和观测到的宇宙膨胀并不矛盾。如果我们处于某个这样的天体上，我们当然就随着这个天体运动，不会落向黑洞。因此，完全没有什么值得担心的。但是有一个可能的问题：一旦这个黑洞周围没有东西可以吞噬了，黑洞就停止增长。黑洞内部的天体就开始往黑洞中心塌缩，这的确最终会导致灾难。

提问：人存在的意义或者说是宇宙存在的意义是什么?另外，您觉得这世界是虚拟的可能性大，还是现实的可能性大？

张双南：如果人类作为一个物种，是由进化产生的。那么人存在的意义就是为了说明进化论的正确性。如果人类是被造出来的，那么人存在的意义就是彰显造物主的伟大。如果要问每个人的生命的意义，我认为就是传承，所有生命的意义都是这样。否则，那个物种就已经灭绝了。人的传承除了传宗接代之外，还有主动的创造。这就是人类能够主宰地球这个星球的根本原因。至于第二个问题，我认为很显然，这个世界的存在是现实的而不是虚拟的。比如，您提了这个问题，我回答您了，您听到了，这就是证据。还有一个证明的办法，就是您使劲掐自己一把，如果感到了疼，就证明您的存在是现实的。世界的存在也是现实的，因为你我都是这个世界的一部分——部分的存在是现实的，整体的存在就一定是现实的。

不信，你掐自己一把试试？

（编辑、排版：小岚欧欧）

前期回顾：

第七则：张双南专栏：做仰望星空的人 | 科学人

第八则：遗憾的是，我们目前对于外星文明一无所知 | 张双南专栏

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爱是永恒不变的力量，能够超越所有的纬度，

当我归来，你已垂暮，

我一次呼吸划过了你一辈子的岁月。 

——《星际穿越》