从时间的角度，关于宇宙的第一个问题就是，宇宙现在的年龄有多大？

怎么测量宇宙的年龄呢？现代宇宙学中有很多方法测量宇宙的年龄。最简单的一种，是测量宇宙中最古老物体的年龄。我们知道地球已经存在了约45亿年。所以宇宙年龄至少有这么大。不过地球远远不是宇宙中最古老的天体。一些白矮星是宇宙中已知的最古老的天体。白矮星是一类恒星的尸骸，已经不再产生热量。正如法医可以通过尸体温度判断生物的死亡时间一样，通过测量白矮星的温度，可以推断恒星在多久之前变成了白矮星。有的白矮星已经存在了近130亿年，所以宇宙至少有这么古老。综合各种观测手段，我们现在估计宇宙年龄为140亿年左右。

为了直观理解宇宙的年龄，让我们想象，把宇宙这140亿年的历史压缩为一年，宇宙诞生于这一年的1月1日凌晨。那么，在12月31日晚上10点半，人类开始懂得使用石器工具。晚上11点55分55秒的时候，人类建造了万里长城。而世界上活着的最年长的人出生的时刻，相当于离这一年的结束只有27毫秒的时间。

从空间的角度，关于宇宙你想知道什么？你大概想问，宇宙有多大吧。

我可以给你一个准确的答案，就是不知道。如果你问，宇宙是有限大的，还是无限大的？答案仍然是，不知道。有趣的是，科学不仅会告诉我们一些问题的答案，有些时候，还会告诉我们，有一些问题没有答案。

我们没办法知道宇宙的大小，就是因为宇宙的年龄有限，而光速也是有限的。没有物体的运动速度可以超过光速。宇宙中足够遥远的地方，即使光从宇宙诞生就跑向我们，至今这光仍然没有到达我们这里。也就是说，我们目前不能看到这么远的地方。也就不知道宇宙有多大。我们能看到的最大空间范围，叫作“可观测宇宙”。可观测宇宙的半径约500亿光年。

我们谈到了时间和空间。有人问：“我喜欢的女孩要我给她时间和空间。她是要计算速度吗？”

对。把时间和空间结合起来，我们就可以谈论速度。1929年，哈勃和他的助手赫马森（Milton Humason）发现，遥远的天体在远离我们而去。因为这些天体所发出的光线，好比离我们而去的列车响起的汽笛一样，在频率上变得更低。

“天体远离我们而去”这个论断，初听起来仿佛是退位的帝王复辟。我们不是早就知道地球不是宇宙的中心了吗？为什么天体要相对我们远去呢？不过仔细想来，天体远离我们，除了暗示地球是宇宙的中心以外，还有另一种可能：宇宙中每时每刻都有更多空间，从天体之间生长出来。也就是说，宇宙在膨胀（见图2.5）。

图2.5　空间膨胀示意图

为了直观地想象宇宙的膨胀，让我们做一个类比。假如我们在吹一个气球，而气球上有很多蚂蚁。就算这些蚂蚁自己没有爬动，对于每一只蚂蚁而言，随着气球变大，这只蚂蚁也会看到其他蚂蚁都在离它远去。这里，并没有哪一只蚂蚁是气球的中心。这种彼此远离的效应只是体现了气球的膨胀而已（见图2.6）。

图2.6　用气球上的蚂蚁来想象宇宙膨胀

最后，宇宙包括时空里存在的一切。那么，时空里有些什么呢？(www.daowen.com)

美国一位著名的物理学家费曼（Richard Feynman）想过这样一个问题：如果有一日，全人类的知识都将毁灭，我们只被允许留下一句话给后世子孙，我们应该留下哪一句话呢？他的答案是：物质是由原子组成的。

在现代的宇宙学观测面前，这句话有点过时（尽管还是十分重要的）。现在我们已经知道，由通常意义上的原子组成的物质，只占宇宙中的5%。这5%当中，自由的氢和氦占了绝大部分。而我们更加熟悉的重元素，则只占宇宙物质组成的0.03%（见图2.7）。

图2.7　宇宙的组成成分

所有这些组分加到一起，宇宙的平均密度，大概相当于每立方米有一个原子的质量。也就是说，宇宙是非常空旷的。我们生活的地球在宇宙中是一个密度非常大的区域。比如空气中，每立方米有大约10的26次方个原子。这种密度的区别，比100亿人生活在一个地球上，和一个人生活在100亿个地球上的区别还大。所以从我们的日常经验中很难想象出宇宙的空旷程度。

宇宙中约1/4的成分是所谓的“暗物质”。什么是暗物质？请看一道中学物理题：考虑一个星系。星系中心存在大量发光的物质，使得恒星围绕星系中心旋转。现在考虑离图中星系中心很远的恒星。按理说由于发光的物质大部分分布在星系中心，所以并没有更多的物质吸引这颗很远的恒星。也就是说，遥远的恒星绕星系中心的旋转速度应该下降才对。这和太阳系中的行星离太阳越远，公转速度越慢是一个道理。

但是，实际的观测结果出乎所有人的意料。在星系周围很大范围内，恒星越遥远，绕星系旋转速度越快。也就是说，把星系内所有可见物质加起来，也不足以提供遥远恒星绕转的引力。于是，物理学家推测，在星系中，存在一种看不见的“暗物质”（见图2.8）。我们只可以通过引力感受到暗物质的存在，而不能通过别的方式（至少目前还没有），例如发射或吸收光线，来察觉暗物质的存在。

图2.8　星系旋转曲线

根据可见物质的理论计算与观测并不符合。这暗示着暗物质的存在。

这让人想起一个脑筋急转弯：一加一在什么情况下等于三？小品里说，在算错了的情况下等于三。可是物理学家可以给出一个另外的答案：一加一，再加一个看不见的“暗数字”就可以等于三。暗物质的发现已经不是物理学家第一次玩这种把戏了。1930年，泡利就为了解释核子衰变看起来能量不守恒的现象，提出了中微子的概念。中微子与我们之间的相互作用力极其微弱。一个中微子可以自由地穿过整个地球，而几乎不受任何阻碍。尽管如此，在泡利提出中微子20多年后，中微子还是在精心设计的实验中被发现。

暗物质是否也会像中微子一样，在未来的实验中被直接找到呢？目前很多实验正在搜寻暗物质。我们期待将来能对暗物质有更多的认识。

而当前宇宙中更重要的组成成分是暗能量。暗能量更加神秘。它的性质可以说是目前理论物理遇到的最大难题。我们将把暗能量放在这一章的最后来讨论。

需要强调的是，尽管宇宙的组成成分丰富而神秘，但宇宙的平均密度是非常低的，相当于在一立方米中只有一个原子。我们在地球上很难想象这样低的密度，这是因为，宇宙中星球之间存在着巨大的空间。这就好比，住在拥挤城市中的人很难想象，如果全世界的人平分地球面积，每人其实可以分到几万平方米。宇宙中，这个差距更加悬殊。