宇宙有边界吗?如果它是无限的,那"无限"到底意味着什么?如果它是有限的,那走到尽头之后,又会看到什么?
这些问题听起来像是小孩子睡不着觉才会琢磨的东西,但天文学家和物理学家一辈子都在跟它们较劲。
今天我们知道,宇宙诞生于大约138亿年前,从那时起一直在膨胀。
既然它在膨胀,那它总该有个边缘吧?在某种意义上,还真有。信息的传播速度不能超过光速,这句话是理解整件事的钥匙。
它意味着我们只能看到那些光线在过去138亿年里有足够时间抵达我们这里的宇宙部分。
当我们向外望去,看到的是一个以我们为中心的球体,天文学家管它叫"可观测宇宙"。但事情比这还要绕一点。
因为宇宙一直在膨胀,我们现在能看到的最遥远的物体,它们的光线出发时距离我们没那么远,可等光真正抵达时,那些物体已经跑到了距离我们450亿光年的地方。
所以可观测宇宙其实是一个半径为450亿光年的大球,里面装着大约2000亿个星系,每个星系又有数千亿颗恒星。
对我们而言,宇宙确实有一个边缘。我们不断向过去回望,直到再也没有过去可看。这个边缘更像是时间上的边缘,从某种意义上说没啥物理意义,真实的宇宙一定比我们能看到的更大。
可到底大多少?答案有两种可能。
一种是宇宙非常大但有限,一种是它真的无限。有限宇宙听起来很好理解——如果你想拿冰淇淋把它填满,你可以做到,虽然要用掉一个天文数字的冰淇淋,但那毕竟是一个有限的数字。
但这里立刻冒出一个古怪的问题:这样的宇宙应该有一堵墙,一个空间终结的地方。如果有边缘,那边缘之外应该还有点什么。
可宇宙按定义就是"一切存在"。"一切存在"之外怎么可能还有东西?
物理学有一种取巧的办法:你可以有一个没有边界、但仍然能被有限冰淇淋填满的宇宙。想象一只极小的蚂蚁爬在橙子皮上,它只能看到脚下那一小块,就像我们只能看到宇宙一小块。
可如果它一直朝一个方向爬,最终会绕一圈回到起点。橙子皮不是无限的,但也没有边界。
宇宙可能就有点像那层橙子皮——不是一个普通的球,而是一个"超球面",三维空间在更高维度里自我卷曲。这画面我们的大脑很难想象出来,但结论很清楚:没有边界,也没有超球面之外。
如果你开着飞船一直朝一个方向飞,理论上你会飞回地球。这一切说得通吗?归根到底还是引力在操盘。
质量通过弯曲时空来产生引力,这种弯曲在质量所在处最强,然后无限延伸出去,像时空这块布上的一种极其轻微的张力。所有质量加在一起,就有可能让整个宇宙微微弯曲,最后卷回自身,形成那种超球面结构。
但如果宇宙真是无限的呢?那就要面对另一个更难受的问题:一个已经无处不在的东西,怎么还能变得更大?
答案是,宇宙膨胀并不是指宇宙"往外扩",而是星系之间的距离在拉长。哪怕是无限的空间,也可以变得更大。
欢迎来到无限的悖论世界。
物理学家天然讨厌"无限大"这个词,在他们眼里,无限大通常意味着理论出了漏洞,而不是大自然真的如此。
所以从几十年前开始,就有人尝试给这个漏洞打补丁,引入新的物理效应来避免那种极端的坍缩或撕裂。宇宙循环、宇宙轮回的想法,就是这些修补工作的副产品之一。
按目前的观测,宇宙的膨胀不但没停,反而越来越快。如果一路这样下去,结局无非两种:所有恒星耗尽燃料,一切归于冰冷黑暗;或者更惨烈一点——连原子都被那股加速的力量撕碎,物理学家管这种末日叫"大撕裂"。
推动这种加速膨胀的东西,被叫做"暗能量"。传统模型假设它是一个常数,永远不变。
但一些研究者认为,它可能会慢慢衰减。中国科学院高能物理研究所参与的国际暗能量巡天(DES)近年也给出了相关的独立检验,指向一种被称为"精灵暗能量(Quintom)"的理论——暗能量的强度可能随时间变化。
如果它真的一点一点弱下去,弱到某个临界点,引力就会重新占上风,宇宙的膨胀就会停住,然后开始反过来收缩,这就是所谓"循环宇宙"图景的物理基础。
在千万亿年的尺度上,宇宙就像在呼吸——膨胀是吸气,收缩是呼气,每一次循环都是一次新的开始。我们现在正处在某一次吸气的过程中,距离下一次呼气还有无比漫长的时光。
理论上,收缩到极致之后,宇宙会再次坍缩到一个高温高密度的奇点,然后再一次爆炸,开始新一轮的故事。甚至有诺贝尔奖得主提出过更激进的猜想:上一个宇宙留下的痕迹,可能就藏在我们今天看到的宇宙微波背景辐射里。
也就是说,如果理论成立,上一次"呼气"的余温,说不定就散布在我们头顶的星空之中。这些想法目前还不能被明确证实,但研究者正在用越来越严格的数学语言,把这种直觉变成可以计算、可以检验的东西。
不管宇宙是有限的、无限的,还是循环往复的,无限本身还能带出更古怪的推论。当你开着飞船沿直线旅行,你会遇到新的星系、新的恒星、新的行星,也许还会遇到你想象不到的奇特生命。
但走得足够远之后,你可能会发现宇宙里最不可思议的东西——你自己。
这怎么可能?
因为构成一切的粒子种类是有限的,有限种粒子只能以有限种方式组合。这个数字大得让我们大脑觉得像无限,但它并不真是无限。
有限的构建方式加上无限的空间,重复几乎是必然的。
当然,"可能发生"不等于"一定会发生"。
也许宇宙真的永远延伸下去,但只有那些无聊的组合无限重复,独一无二的你还是独一无二的。可如果物理定律在任何地方都一样,那么在遥远的某处,气体也会孕育恒星和行星,化学反应也会孕育出原始的遗传信息,最终演化出一群学会拍内容、写文章的猿类。
这样的事在地球上至少发生过一次,所以概率不为零。即使一个和你完全一样的复制品出现的概率几乎为零,"几乎为零"在无限宇宙里仍然是一个大到吓人的数字。
可惜你永远遇不到它。有人估算过,要找到第二个和现在的地球一模一样的地球,你大概需要走10的10的29次方倍可观测宇宙的距离——1后面跟着100亿亿亿个零倍。
这种"遥远"某种意义上就等于"永远远"。
无论是无限宇宙的重复,还是千万亿年后的再次爆炸,纸面上都说得过去,但目前没有一个是可以直接检验或证明的。如果宇宙真是无限的,我们永远不会知道;如果它真的会循环,我们这一代人也不会亲眼看到那一天。
对我们而言,宇宙是有限的,有一个我们能看到的边缘——那是时间的边缘。
我们能与之互动的一切,都在可观测宇宙之内,而且很可能永远如此。至于宇宙会不会在千万亿年后重新爆炸、开始下一轮呼吸,那是留给未来观测者和理论家的谜题。
我们只不过是在138亿年宇宙历史中短暂存在的一瞬。但正是这一瞬,我们居然有能力去追问宇宙的命运,这件事本身就已经足够了不起。
即使这个有限的宇宙对你而言感觉很小,它也足够大,足以装下我们和后代所有能想到的梦想。对我们所有人来说,它已经无限地足够了。
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