宇宙的前世今生
第一节 宇宙的现状
宇宙的诞生、成长和未来有一个时间极长的过程，但是我们先不讲诞生，而是先讲成长。
为什么呢？因为物理学的基本研究方法，是从现有的、可以观测到的信息入手。宇宙目前处在一个成长期；宇宙的诞生发生在很久之前，我们没看到；而宇宙的未来，我们也还看不到。所以我们只能够从宇宙当下的成长入手，先研究宇宙的性质，再通过演绎法，反推回宇宙诞生的时候是什么样的，并预言宇宙的未来。
核心问题：多大？多久？
上千年之前，哲学家、科学家们就在思考两个终极问题。
（1）宇宙是有限大，还是无限大的？换句话说，宇宙有没有边界？
（2）宇宙是存在了有限久，还是无限久？宇宙是不是也像人类一样，有诞生、消亡的过程？
对于这个问题，牛顿给出了一个看似无可辩驳的答案：宇宙当然是无限大的。
牛顿的理由也很简单，因为那个时候牛顿已经发现了万有引力定律，就是任何有质量的物体之间都存在相互吸引的作用力。如果万有引力是正确的话，那宇宙中的所有天体之间都应该相互吸引。但是很明显，我们现在观察到的天体、星系之间都保持着一定的距离。这个距离还很大，动辄几光年、几十光年。
但万物并没有因为万有引力的存在而相互靠近，那是万有引力失效了吗？是什么样的力量，在阻止宇宙中的物质挤成一团呢？似乎只有当宇宙是无限大的时候，才能解释这个现象。
牛顿的论证也很简单，假设单看宇宙中某一个天体A，当它受到某个天体B的吸引，根据万有引力，它就有向这个天体B运动的趋势。由于宇宙是无限大的，则一定可以在这个天体A的另外一侧再寻找到一个天体C，它对天体A产生一个与天体A和天体B之间方向相反且相同大小的吸引力。如此，天体的受力便平衡了，不会发生与其他天体挤成一团的情况。 这当中的核心推论是，“无限大”意味着只要找，就一定能找到，无限大包含了一切可能性。当然，这个推论与其说是个物理学推论，实际则更具哲学意味，我们其实无法用实验的方式去验证它。
总体来说，恰恰因为宇宙是无限大的，所以宇宙中的每一个点都是中心点。处在中心点的天体，一定可以在它周围找到足够多的物质，使自己受到的引力平衡，宇宙就不会收缩成一团了。相反，如果宇宙是有限大的话，必然会在万有引力的作用下收缩到一个中心点。
图4-1 宇宙中的天体受力平衡
其实现在看来，牛顿的论证过于理想化，因为无限大只是一个数学概念，从生活经验来说，人是无法感知无穷大的。但宇宙并没有因为万有引力的作用而收缩，我们还好好地活着，这又让牛顿的论证看似无懈可击。
那就先让我们假设牛顿是对的，再来看看下一个问题：宇宙有没有一个年龄？它是存在了有限久，还是无限久？
我们知道，地球差不多是46亿年前诞生的，太阳大约是50亿年前诞生的。那宇宙是不是也有一个年龄呢？对于这个问题，19世纪的德国哲学家奥伯斯（Heinrich Wilhelm Olbers）给出了他的回答：根据牛顿宇宙无限大的论证，宇宙必然是已经存在了有限久的时间。如果宇宙存在了无限久的话，那我们现在就不可能看到白天黑夜交替，应该一整天都是白天。
奥伯斯的论证也非常通俗易懂。既然宇宙是无限大的，那宇宙中就应该有无限多的正在发光的星星。如果仰望星空，不管朝哪个方向看过去，那个方向上一定会有正在发光的，并且已经存在了无限久的星星，因为“无限”的意思就是，只要找，就一定会有。在奥伯斯的时代，人们已经知道了光的传播是需要时间的。如果宇宙存在了无限久，那么所有星星发出的光，必然都已经传到了地球上并被我们观察到。因此不管我们向哪个方向望过去，都能看到有星星在发光。这样一来，整个天空都应该被星光填满，地球上应该永远是白天。
然而现在的情况是白天和黑夜交替变换，所以只要宇宙是无限大的，宇宙的年龄就一定是有限的。
牛顿与奥伯斯的自相矛盾
如此看来，宇宙是否无限大，以及存在了是否无限久这两个问题，似乎已经被轻松回答了。但是如果把这两个答案放在一起的话，这两个论证就有破溃的危险。
为什么呢？因为这两个答案是自相矛盾的。
根据奥伯斯的论证，宇宙存在了有限久。我们现在知道宇宙的年龄大概是138亿岁，也就是说在138亿年以前，宇宙并不存在，它有一个诞生的过程。这就好像盖房子一样，我们用有限的时间，只能盖出一栋有限大的房子。宇宙是怎么变成无限大的呢？也就是说，无限大的宇宙却有一个有限大的年龄这一结论，存在根本的逻辑矛盾。除非宇宙从诞生开始，就是无限大的。这倒是比较符合神话故事中的“创世”思想，但对于物理学家们来说，这个“创生”的过程是无法用物理学去理解的。
问题的问题
那么这种矛盾要怎么解决呢？有时候，一个问题找不出正确答案，可能不是解法有问题，而是问题本身问错了。例如，你问我，一个苹果的心率是多少？苹果没有心脏，哪里来的心跳？这就是一个典型问错了的问题。
宇宙是否无限大？存在了是否无限久？这两个问题一旦问出来，其实已经假定了宇宙目前的状态是固定不变的。它完全忽视了另外一种可能性——宇宙有可能时刻在变化。宇宙难道不会是一栋只盖到一半的房子吗？针对这个问题，直到1929年，美国天文学家哈勃（Edwin Hubble）才给出了一个令人信服的答案。
第二节 哈勃定律（Hubbles law） ：宇宙在膨胀
哈勃定律
1929年，美国天文学家哈勃提出了他一生中最重要的一条关于宇宙的定律——哈勃定律。哈勃定律指出，宇宙正在加速膨胀。
膨胀比较好理解，就是宇宙在越变越大。宇宙中的任意两个点，都在相互远离。而加速的意思是说，如果宇宙中两个点的距离越远，那么它们相互远离的速度就越快。可以用吹气球来形容这个过程。我们的宇宙就好像一个正在被吹大的气球表面，宇宙中的天体、星系就好像气球上的不同点。在气球被吹大的过程中，气球上任意两个点的距离是越来越远的。
哈勃是怎么发现宇宙正在膨胀的呢？这源于他用天文望远镜对宇宙中20多个星系进行的观测。哈勃发现，所有的星系都在远离我们，且离我们越远的星系，远离的速度越快，于是就得出了宇宙在膨胀的结论。哈勃还总结出了一个经验公式，就是著名的哈勃定律：
v是星系远离的速度，D是星系之间的距离，H是哈勃常数（Hubble constant），差不多是70km/（s·Mpc）。秒差距（pc）是一个距离单位，约等于3.26光年。也就是一个与我们相距大约是3.26光年的星系，远离我们的速度大概是每秒7厘米。
那么问题来了，宇宙为什么在膨胀，而且还是加速膨胀呢？
用我们吹气球的例子来类比。气球会膨胀是因为有人在吹它，也就是需要给气球一个初始推动力。现在科学家们普遍认为这个初始推动力是由宇宙大爆炸（the big bang）产生的。
大爆炸理论可以解释为什么宇宙在膨胀，但是不太能解释为什么会加速膨胀。我们吹气球的时候，会觉得气球越吹到后面越费劲。而宇宙这个大气球，越吹到后面还越有劲儿，好像连着一个鼓风机一样。
那么使宇宙加速膨胀的能量是哪里来的呢？
宇宙膨胀的能源：暗能量（dark energy）
目前的物理学理论还没有办法解释宇宙加速膨胀的问题。于是，科学家们提出了一个概念，叫作暗能量。
什么是暗能量呢？就是支撑宇宙加速膨胀的能量。之所以叫暗能量，就是因为它看不见、摸不着，连仪器也没有办法探测到，我们现代的实验对它几乎是一无所知。
暗能量只是科学家为了解释宇宙膨胀现象强行“发明”出来的概念。如果暗能量真的存在的话，根据计算，它占全宇宙能量与物质总量的68%左右。暗能量的概念可以解释一些宇宙学（cosmology）的问题，但是除了宇宙膨胀现象之外，我们几乎看不出其他效果。
回到基本问题
再回到宇宙是有限大还是无限大的问题。目前的答案是：宇宙是有限大的，并且在不断地膨胀。既然宇宙有限大，就会碰到牛顿最早提出的问题：宇宙中的天体为什么没有在万有引力的作用下挤成一团呢？
有了哈勃定律，这个问题就简单了。因为尽管万有引力有令万物聚合的趋势，但是宇宙的膨胀超越了万有引力的效果，甚至使天体间的距离越来越远。
再来看看宇宙是不是存在了无限久这个问题。奥伯斯关于宇宙存在了有限久的结论，是从牛顿宇宙无限大的观点推导出来的。现在牛顿的观点错了，这个问题就需要重新考虑。
现代物理学中，我们对宇宙的年龄有一个确定的答案：宇宙大约是在138亿年前诞生的。而这个结论是从哪里来的呢？
答案是通过哈勃望远镜观测得来的（哈勃望远镜是通过火箭升上太空，并在地球轨道中运行的一台反射式天文望远镜，跟天文学家哈勃并无直接关系，只是以哈勃的名字命名用以纪念哈勃对天文学做出的卓越贡献）。因为太空里没有大气层的干扰，哈勃望远镜可以收集到更多宇宙中的光和其他信息。
科学家得出宇宙的年龄大约是138亿岁的依据是，哈勃望远镜能看到的最远的地方，差不多就是138亿光年远，再远就看不到了。这个解释其实跟奥伯斯的论证有异曲同工的地方。光用来走到地球的时间，最多就是138亿年左右。
图4-2 哈勃望远镜
比138亿光年还要远的星球的光，还没有足够的时间可以传到地球上。所以光可以用的时间，就是宇宙存在的时间。
至此，我们开篇提出的两个终极问题都得到了回答：宇宙是有限大的，并且还在加速变大；宇宙存在了有限久，年龄是138亿年左右。
宇宙既然是有限大的，那它的大小是多少呢？答案是直径940多亿光年，这是通过哈勃定律计算得出的结果。虽然我们只能看到138亿光年远，但这并不代表宇宙的半径就是138亿光年。
因为我们看到宇宙最远处发出的光，经过了138亿年的时间才到地球上。但是在这段时间里，当初发光的点还在不断远离我们，所以宇宙的半径肯定不止138亿光年。如果把宇宙看成一个球体的话，根据科学家们的计算，宇宙的直径大约是940多亿光年。
有了这两个答案，我们还要继续追问，宇宙是怎么来的？它刚刚诞生的时候是什么样子？这个问题直接导向了宇宙大爆炸理论。
第三节 光谱（spectrum）与多普勒效应（Doppler effect）：宇宙在膨胀的证据
在讨论宇宙大爆炸理论之前，我们要对哈勃所做的工作有更多的了解。哈勃是通过观察星系的运动情况，从而得出了所有星系正在远离我们的结论，并且星系离我们的距离越远，远离我们的速度就越快。
如何知道天体离我们有多远？
当我们用天文望远镜观察宇宙的时候，能看到的只是发光的天体。那怎么知道某个天体离我们有多远呢？又怎么知道它在远离我们而去呢？难道是哈勃用的望远镜特别高级吗？
这里的关键技巧有两个，分别是光谱和多普勒效应。
光谱：物质的指纹
在元素周期表上，已知有92种天然元素（不包含同位素）。
我们周围的物质都是由原子组成的。每种原子的内部结构不同，拥有不同的物理、化学性质。总的来说，原子的内部结构可以分为原子核和电子（electron）。其中原子核带正电荷，电子带负电荷，电荷之间同性相斥、异性相吸，静电荷之间的作用力叫库仑力（Coulomb's force），电子在原子核库仑力的吸引下围绕原子核运动。
原子有不同的能量等级，叫作能级（energy level），表现为电子在围绕原子核运动时所处的不同状态。量子力学神奇的地方就在于，原子内的能级不是任意的，而是只能取某些特定的值。物理定义：电子的能量是量子化的（quantized）。量子化的意思就是电子的能量可上可下，但是它上下的规律就像爬楼梯一样，只能取一些特定的值，能级之间有能量间隔，而不是像滑梯一样每个值都能取到。
图4-3 电子跃迁
物理学里还有一个重要原理，叫作能量守恒定律：能量不能凭空出现，也不能凭空消失。在一个封闭系统里，能量的总量保持不变。
当一个处在高能级的电子跳到低能级时，它的能量减小了。但根据能量守恒定律，这部分能量不能凭空消失，那它跑到哪里去了呢？答案是这部分能量会变成一个光子，从原子里射出。光子携带的能量，恰好就是电子从高能级运动到低能级所损失的能量。这种原子释放出光子的行为就是热辐射（thermal radiation）的成因。
因为电子的能量是量子化的，只能取特定的值，所以当电子在能级中跃迁时，发出的光子能量，也只能取某些特定的值。
然而光子的能量只与它的频率（frequency）有关，因此特定的原子产生的热辐射，它发出的光就只能是某几种特定的频率。
如果是可见光，不同频率就对应于不同的颜色。比如太阳光可以分为红橙黄绿蓝靛紫，从红光到紫光频率逐渐变高。我们去研究某种原子的热辐射现象时，把它发出的所有可能的光记录下来，就得到了它的光谱。比如氢原子的光谱对应的波长如图4-4。
图4-4 氢原子光谱
每一种原子都有唯一的光谱，两两不相同。也就是说，原子的光谱相当于它的“指纹”，看到光谱，就知道是哪种原子在发光，并且根据光谱中不同频率的光的强度，我们还能推测出发光的物质处在什么样的温度。
多普勒效应：天体的测速器
多普勒效应在生活中很常见，一辆汽车按着喇叭呼啸而来，你听到的声音先高后低，这其实就是多普勒效应。
多普勒效应说的就是，当声源和接收者存在相对运动时，接收者收到的声音频率会与声源发出的频率不同。具体的规律是，当两者相互靠近的时候，声音频率会变高，反之则降低。多普勒效应的物理过程可以这么理解，我们听到声音的时候，听到的其实是声波。声波就是空气的周期性振动，一次完整的振动可以被描述为一个“波包”（wave packet），从波头开始到波尾结束，前面一个波包的波尾就是后面一个波包的波头。你听到的声音变高了，本质是因为你的耳朵在单位时间内接收到了更多数量的波包。
一辆汽车按着喇叭呼啸而来，喇叭发出一个波头之后，还要继续发出波尾。但是当它真的发出波尾的时候，在这一段振动周期里，相对于接收者来说，声源已经往前运动了一段距离。也就是说，当波尾传到接收者耳朵里的时候，它要跨越的距离比波头要跨越的距离短。波尾到达耳朵的时间，就比汽车不动的情况下用的时间要短。因此，接收者接收到的一个完整波包所用的时间，相较于汽车静止的情况下缩短了，在单位时间里，接收者接收到了更多的波包，声音的频率就变高了。
图4-5 声波的不同接收
当汽车在远离的情况下，波尾发出的时候，汽车相对于接收者已经远离了一段距离。波尾要比波头花更长的时间才能传到人的耳朵里。因此在单位时间里，接收者接收到的波包就减少了，对他来说，声音的频率就变低了。
多普勒效应不仅适用于声波，对一切波都有用。光，也就是电磁波，电场和磁场在传播过程中进行着交替振动，也存在多普勒效应。
同理可证，当光源在向接收者靠近的时候，接收者接收到的光的频率比光源发出的原频率要高，在天文学上叫作蓝移（blueshift）；当光源在远离接收者的时候，接收者接收到的光的频率比原频率要低，叫作红移（redshift）。因为在光谱上，频率变低是往红光的方向运动，频率变高则是往蓝光的方向运动。
有了光谱以及多普勒效应这两个工具，我们就能够通过天文观测，算出天体离我们有多远，以及它们是正在远离、靠近，还是不动。
图4-6 电磁波
第四节 宇宙膨胀的证据
如何测出天体远离我们的速度？
首先，我们可以测量出远处的天体远离我们的速度。方法很简单，就是用测量到的天体发出的光的频率，与天体原本发出的光的频率进行比对，再通过多普勒效应进行计算。
哈勃测量到的结果是天体发出的光的频率都降低了，也就是说它们都发生了红移。因此，哈勃得出结论，这些天体都在远离我们。但是问题来了，我们怎么知道某个天体原来的频率是多少呢？答案是借助光谱。 我们可以通过天体的光谱，来反向推算它原有的频率应该是多少。光谱相当于发光天体的指纹，只要能分析出天体的光谱，我们就大概知道这个天体发光的原频率是什么样的。
但还是那个问题，我们接收到的光谱，是已经经历过红移后的光谱，那要怎么知道它原来的光谱是什么样的呢？其实在光谱中，除了光的频率之外，还有一个更重要的信息，那就是不同光的组合。比如说一种物质的光谱有橙光、绿光和紫光三种，它们的强度比例可能是1∶2∶3。
即使经历过红移，三种光的频率之比以及所占整体强度的百分比也是固定的，我们依然可以根据成分和比例关系判断出它们对应的应该是哪一种或哪几种物质的光谱。这样，我们就可以用红移后的频率跟原频率做比对，从而算出天体远离我们的速度。
如何测出天体离我们有多远？
除了速度，我们还可以算出天体与我们的距离，具体做法是依靠天体的亮度（luminosity）进行判断。
生活经验告诉我们，一个发光物体距离观察者越远，观者者感受到的亮度就越弱。所以只要能够把探测到的天体的亮度，再与天体原本的亮度进行比较，就能算出天体离我们有多远。
但还是那个问题，我们怎么知道它原本的亮度是多少呢？答案依然是借助光谱。光谱不但能告诉我们发光的物质是什么，还能告诉我们发光物质的温度是多少。而在天体物理学中，只要知道一个天体的温度，就能算出它的质量应该有多大。算出它的质量后，就能用数学模型推算出它的原本亮度是多少，再与我们接收到的亮度进行比对，就能知道天体离我们有多远了。
第五节 宇宙的诞生
宇宙大爆炸理论
哈勃定律指出，随着时间的推进，宇宙一直在膨胀。我们利用逆向思维，让时间倒流的话，倒推出来，宇宙一开始应该是非常小的。这就是宇宙大爆炸理论的基本思想。
宇宙大爆炸是现在被人们广为接受的关于宇宙起源的理论。大爆炸理论说的是，宇宙一开始是一个没有体积、密度无限大的奇点，随后发生了大爆炸，时间和空间被创造出来。
宇宙一开始是炙热的，充满了能量，并且温度极高。但是随着宇宙的膨胀，它慢慢地冷却下来，各种粒子开始形成。又在万有引力的作用下，物质聚合到一起，形成了天体和星系。经过138亿年的时间，逐渐发展成今天的模样。
宇宙大爆炸理论，最早是在1927年，由比利时宇宙学家勒梅特（Georges Lemaître）提出的，勒梅特解出了爱因斯坦广义相对论场方程的一个严格解，提出了宇宙最早开始于一个“原初原子”（primordial atom）的爆炸，这就是最早的宇宙大爆炸理论。以当时的眼光看，大爆炸理论只能被当作一种理论，几乎没有任何坚实的实验证据。
宇宙大爆炸理论的流行，要归功于两位美国科学家彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wilson），他们于1965年发现了宇宙微波背景辐射（cosmicmicrowave background radiation），为宇宙大爆炸理论提供了强有力证据。
宇宙微波背景辐射
在20世纪60年代，射电望远镜已经被发明出来。传统望远镜是由透镜组成的，有两块大玻璃就能够观察星空。但射电望远镜并不是玻璃做的，从形状上来看，它跟卫星电视的接收天线是一样的。射电望远镜的优势在于，它可以接收传统望远镜接收不到的信号。
传统的天文望远镜主要用来接收可见光，而射电望远镜是用来接收比红外线（infrared）波长还要长的电磁波信号，因此就做成了天线的形状。
波长在红外线以上的电磁波不会因为大气层的散射而过多地衰减，所以只要把射电望远镜的口径做得足够大，就能探测到更多的电磁波信号。当时彭齐亚斯和威尔逊两个人并没有明确的目的，只是单纯地想用射电望远镜看看宇宙里都有哪些电磁波信号。为了排除一切可能的信号干扰，他们挑选了远离城市的僻静之地进行观测。
图4-7 射电望远镜
神奇的是，不论望远镜指向什么方向，总有一个频段处在微波范围内的微弱信号存在，跟我们平时用的微波炉的波长类似。
现实世界中的仪器总是有误差的，一般人可能会把这个信号理解为背景噪声。但是两位科学家发挥了钻牛角尖儿的极致精神，他们排除了一切可能性，最后得出结论：这个信号只能是从宇宙的最深处传来的。
为什么会得出这样的结论呢？因为如果信号是从宇宙中某个特定位置传来的话，它的强弱一定是与方向有关的，望远镜瞄准这个方向会收到最强的信号。然而两位科学家观测到的微波信号却与观测的方位关系不大，所以信号源一定不是某个具体的星体，而是遍布在宇宙空间当中的。
一个合理的解释就是，该信号作为一种“背景信号”，是从宇宙深处传来的，并且是宇宙各个方向的最深处，因此才是“背景”，所以被命名为宇宙微波背景辐射。其实宇宙微波背景辐射很容易观察到，当没有信号输入时，老式电视机屏幕上会出现雪花点，这些雪花点有很大一部分就是宇宙微波背景辐射的信号。
图4-8 宇宙微波背景辐射强度分布图
宇宙微波背景辐射如何佐证宇宙大爆炸理论？
宇宙微波背景辐射的存在很好地佐证了宇宙大爆炸理论的正确性。
根据多普勒效应，凡是从宇宙深处传来的电磁波，都经过了充分的红移。也就是说，信号在发出之前，它的频率应该比微波高不少。如果宇宙大爆炸理论是正确的，那么宇宙在早期刚刚发生爆炸的时候，由于能量和温度都极高，宇宙应该处于“一锅热汤”的状态。
而宇宙微波背景辐射是从宇宙深处传来的，倒推回138亿年前，它应当恰好记录了宇宙诞生之初的状态。根据计算，我们把微波背景辐射的频率用红移反推回去，就会发现这些微波从宇宙深处传来之初，确实是处于一种炽热的状态。微波背景辐射作为宇宙诞生之初的印记，提升了宇宙大爆炸理论的可信度。
第六节 宇宙会死亡吗？
宇宙的未来
根据已有的物理学知识，我们知道了宇宙不仅有限大，还在不断地加速变大，宇宙的年龄在138亿岁左右，并且宇宙诞生于一场大爆炸。也就是说，我们知道了宇宙的起点和宇宙的现状。如果把时间箭头推向极早的过去和极远的未来，我们不禁要问两个终极问题：宇宙在诞生之前是什么？宇宙的未来会如何？它会一直膨胀下去吗？还是宇宙会来到一个终点，经历某种死亡呢？
关于这两个问题，物理学还没有给出确切的答案。人类到现在还没有出过太阳系，物理学也不过存在了几百年时间而已，我们要如何去讨论138亿年以前和几百亿年以后的事情呢？
但是霍金（Stephen Hawking）给出了一个颇具哲学感的答案，也有少许物理理论支撑，那就是著名的无边界宇宙模型（Hartle-Hawkingstate）。
宇宙大爆炸之前是什么？
无边界宇宙模型首先回答了第一个问题，就是宇宙大爆炸之前是什么。
霍金的答案是这个问题问得就不对，因为从大爆炸开始，时间和空间才诞生。既然要问之前和之后，就已经假设时间存在了。如果大爆炸之前时间还不存在的话，就根本不存在“之前”的问题。
无边界宇宙模型给出了一个对于宇宙时空的描述。我们可以把时空想象成一个球体的表面，比如地球表面。问大爆炸之前是什么，就好像在问，地球上比北极更北的地方是哪里？这个问题是不成立的，因为北极已经是地球上最北的地方了。站在北极往任何一个方向走，都是向南移动。
宇宙大爆炸伊始，时间和空间才诞生，宇宙开始膨胀，就好像从北极点开始向南走。沿着时间的箭头，宇宙一路膨胀下去。
无边界宇宙模型：宇宙不会无限膨胀下去
之后来到第二个问题：宇宙的未来是什么样的？会无限膨胀下去吗？
无边界宇宙模型认为，随着时间的推移，宇宙会膨胀到一个极限。到了极限之后，时间开始倒流，宇宙就开始收缩，再回到大爆炸时候的状态，变为一个奇点。然后再开始一次新的大爆炸，如此循环反复。
就好像一个人从北极出发，一路向南走，走到南极就不能再往南走了。南极就对应于宇宙膨胀所能达到的极点。到了南极之后再往下走，任何一个方向都是往北，对应着宇宙膨胀到极点以后开始收缩，时间开始倒流。
这就是无边界宇宙模型对宇宙前世今生的描述。从这个模型来看，我们的宇宙被牢牢地约束在时空的范围之内，因为没有时空，就不存在万物。从哲学角度看，这大概涉及人类的精神是如何认识世界的。我们的精神是构建在时空基础之上的，如果不谈时空，便不在我们的认知范围内，对我们来说就是不可知的。
既然不可知，强行去讨论时空框架以外的东西，就没有任何意义。
关于时间倒流的问题，无边界宇宙模型也没有给出清晰的定义。因为人类的认知模式让人类无法用感官去理解所谓的时间倒流，人类的精神只能感知时间的单向流动。
时间是什么？
亚里士多德（Aristotle）认为：所谓时间，不过是人类的记忆。正因为我们有记忆，才能感受到时间的存在。
如果抛开人类对于时间的感知，甚至可以说时间并无正向、逆向之分。所有时间点和所有空间位置都在那里，只是人的意识只能以时间正向流淌的方式来感知世界。人类会觉得时间和空间是完全不同的东西，因为空间可以用感官去感受，而时间的流逝只能体现为人的记忆。
从物理学的角度来看，一个电子在时间正向流动的情况下，从A运动到B，这个过程也可以理解为在时间倒流的情况下，一个带正电的正电子[（positron），即电子的反粒子（anti-particle）]从B运动到了A，这两个物理过程完全是等价的。时间的流动方式对于一个电子来说，是无所谓正向还是逆向的。
在物理学的框架中，尤其是在微观世界，时间跟空间其实是等价的。时间跟空间一样，都可以用坐标来标记位置，时间只不过是微观粒子的第四个坐标而已。既然时空等价，为什么我们的物理学还要把它们区分开呢？这就回到我们在序言里讲过的，先归纳、再演绎、后验证的认知过程。
物理学的原理必须从观察和归纳中得来，但是在更高级的科学领域，比如相对论和量子场论，甚至最尖端的弦理论、量子引力力学，时间和空间已经不做明显区分了，时间坐标和空间坐标一样，只以坐标的形式体现。