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宇宙到底有多大?

人们说,宇宙很大。但要真正了解宇宙有多大,我们可能无能为力。一方面,我们日常的语言和概念很难形容宇宙的广阔;另一方面,我们观察到的宇宙范围有限;再一方面,我们可能甚至遭到无法克服的束缚,从而使我们永远没有观察宇宙真相的工具。


天文数字


大部分人连对地球的大小都没有概念,更别说银河系和星际空间了。我们常常使用光年(光一年能走过的距离)作为度量单位,因为用光速形容,似乎比一个几万亿公里之类的数值更加直观。当光成为参照物时,我们就可以说光从地球到达月亮需要1.3秒,来描述地月距离。

然而,我们日常所感知的光是一种瞬间到来、瞬间消失的物质。这种无法捕捉到距离概念的物质,又怎样帮助我们真正感受距离呢?用光来描述距离,就好像用原子的数量来描述高楼大厦的高度。

再有创意一点,我们可以将生活经验代入。月亮离地球有3200万辆校车连起来那么长!如果你以60英里时速开校车去月球,要走166天!看上去很形象,但这能有多大帮助呢?不好说。

数字大到一定程度、远离我们生活的范畴,我们就对它失去概念了。有时,为了让大数字看上去不要那么夸张,我们会“作弊”一下。例如把描述天文距离的计量单位弄得数值很大,从公里到光年,到秒差距,到千秒差距、兆秒差距、千兆秒差距……这样写起来比较舒服。

还有幂的帮忙,1000是10的三次幂,1万亿是10的12次幂。数字位数每十倍增加一位,再使用科学计数法,数字看上去又变得简练了。

在太阳系之内,我们去到某一个点(例如太阳系边缘)要花多长时间、走多远路,多少都可以用人们能理解的方式描述一番。但理解整个宇宙不能用这种方法。

理解宇宙距离的困难,不仅仅在于数字大得没边,而且和宇宙的性质有关。从“大爆炸”开始,宇宙就在扩张,而且没有停下来的迹象。当仰望天上星河的时候,你不但要明白那些星星的年龄已经十分古老,你还要知道它们早就不再留在你所看到的位置了。

就拿超新星爆发来说吧。10亿光年外的超新星爆发,意味着爆发发生在10亿年前,因为光走了10亿年才被我们看到。但是随着宇宙扩张,现在它却离我们不止10亿光年了。

所以讨论宇宙距离的时候,绝大多数人会犯迷糊:讨论天体离我们有多远,究竟是讨论它们过去离我们有多远、还是现在离我们有多远呢?比较A天体离我们有多远和B天体离我们有多远,A天体、B天体和地球三者之间的距离关系又怎样理解呢?


无限有界


虽然宇宙距离概念令人头晕脑涨,但科学家依然努力尝试了解宇宙的大小和边界。无数的星系被观察,无数的星系图被绘制。人们试图从中寻找线索,了解宇宙的边缘或者中心在哪里。

然而,一无所获。

人们似乎只能相信,宇宙是无限的。无论从哪个方向观察,它的形式不会有太明显的变化。

宇宙可能是无限的,但人类观察到的宇宙是有边界的。无论望远镜有多强大、无论观察多长的时间,人类的观察,无法突破一个叫作“可观测宇宙”的范围的束缚。可观测宇宙是一个想象中的球状物,人类处于球的中心。球的大小由光速和宇宙的年龄来界定:当一束光用宇宙诞生的所有时间来到我们眼前时,这束光走过的距离,就是可观测宇宙的球半径。

宇宙诞生的第一束光,用了138亿年才让人类看到。人们看到这束光时,就看到宇宙的过去,看到宇宙最初的样子。这束光被称为“宇宙地平线”。而宇宙地平线以外的东西实在太远,即使从宇宙诞生起就开始出发,现在依然不能走到人类面前。

人们相信,宇宙地平线以外肯定还有星系。正如当人站在陆地上望向海洋,海洋看似一望无际;但人坐上船后,地平线会发生变化,最终在某一个位置,人会看到另一片陆地。假如乘着星际飞船飞到宇宙另一个角落,人类也会看到新的宇宙地平线。可惜受物理定律和科技发展的限制,人类目前无法去另一个能对宇宙展开全新观察的地方,但依然可以通过观察宇宙地平线本身,来猜想地平线以外的世界。

可观测宇宙的边缘是一幅令人震撼的图景。越遥远的光越古老,最早的宇宙像烘炉一样,热气和火焰稠密地混合在一起。随着宇宙扩张,烘炉状态在38万年后开始缓和,宇宙的温度逐渐冷却,光以及其他粒子开始可以自由运动。

燃烧的宇宙构成了可观测宇宙的边界。但正如前面超新星例子所说明那样,宇宙地平线离我们远远不止138亿光年。通过收集各类数据,人们可以测算宇宙扩张的速度,从而得知可观测宇宙的边界目前离地球约有450亿光年之遥。

人们还尝试推测可观测宇宙之外的样子。宇宙向各个方向膨胀,膨胀到离地平线远得多的地方。这意味着假如我们生存在一个宇宙地平线以外的星系,我们看到的宇宙与现在看到的大同小异。当然,理论上说,也许在一个与地平线距离无比遥远的位置,宇宙的样子会截然不同。不过,那真的是我们连推测都推测不出宇宙的样子了。


高维困境


宇宙之大,我们不能想象。甚至宇宙之大,我们也可能找不到办法想象。这就涉及维度问题了。

人类认识的空间是三维空间,点构成线(一维),线构成面(二维),面构成体(三维)。人类感知的方向,主要是由上下、左右和前后三组方位组合而成。普通人的日常体验,无法想象出第四组方位、进而无法想象四维空间。而经过训练的研究者,尽管可以用数学工具来描述四维空间,但作为三维空间生物,可能无论如何研究,都不能真正体验、感受四维空间。

科学家之所以推测四维空间存在,是因为这有助于解释一个疑问:为什么引力的大小远小于其他三种自然界基本力(电磁力、弱作用力、强作用力)。四维空间理论,想象我们所处的三维空间是一张“膜”,处于四维空间这个“体”内。电磁力、弱作用力、强作用力只在“膜”里面生效,但引力会“流出”到“体”之中,这就造成了引力的大小大大降低。

这跟宇宙的大小有什么关系呢?“膜”的假设引申出“膜宇宙”理论。我们所认识的三维宇宙,依附于一个四维宇宙。四维宇宙中还有更多的“膜宇宙”,“膜”与“膜”之间碰撞,形成所谓“大爆炸”的状态。大爆炸之后宇宙扩张,最终又会再次碰撞到其他宇宙,出现坍缩,再重新爆炸,如此周而复始。“膜宇宙”理论认为,目前可观测宇宙边缘的熊熊烈火,就是不同宇宙碰撞后的产物。

“膜宇宙”对经典的大爆炸理论有一定修正。后者认为,宇宙最初是一个极紧密、极炽热的奇点,逐渐膨胀到现在的状态。但是这套理论解释不了一种现象:大爆炸会留下一种叫宇宙微波背景的辐射,就是这种辐射向我们透露了宇宙在38万年前开始“降温”。无论我们从哪个方向观察,任何观察到的宇宙微波背景的数据,包括光谱、密度等高度一致,误差程度只有10万分之一。

这让人产生疑问:不同方向的宇宙微波背景彼此距离非常遥远,它们如何保持状态一致?即使在奇点阶段,宇宙只是很小的一团,保证各个位置的状态均匀,但扩张的过程中难道不应该出现各种不同情况、令向外扩张的不同位置演化出不同状态吗?

科学家提出“暴涨”理论,试图解决这个问题——宇宙可能遭遇过瞬间扩张,可观测宇宙在很短时间内、从古老宇宙的很小范围中“膨胀”而成。所以,当我们顺着宇宙微波背景观察可观测宇宙的过去时,会发现各处状态一致。

“膜宇宙”理论补充了“暴涨”理论的一些空白,它推测“暴涨”的动力来源于“膜”与“膜”在四维空间的碰撞。两者相接触后产生巨大能量,激发瞬间扩张,同时让我们看到可观测宇宙边缘灿烂的火光四射场景。

然而,怎样证明四维空间存在呢?就算能证明四维空间存在,我们又能否到四维空间观察到不同宇宙之间的碰撞呢?这是将猜想转化为证明的困难所在,这也是即使“膜宇宙”理论言之有理、我们却也难以看清宇宙真正大小的原因所在。


(原标题:宇宙到底怎么个“大”法)


来源:《风流一代》2021年第02期

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