宇宙有多大？

卡塔爾·奧康奈爾+晨飛

在天體物理學(xué)中，沒有比空間有多大這個(gè)問題更大的實(shí)證問題了。下文簡(jiǎn)述的就是有關(guān)宇宙的大小和形狀的觀念史。

空間大得令人難以置信；但是也沒什么好擔(dān)心的。

道格拉斯·亞當(dāng)斯在《銀河系旅行指南》中這樣描述：“空間巨大、超大、無比大，大得令人難以置信。我的意思是說，你可能認(rèn)為道路漫長，最終在化學(xué)家那里落腳，但這只是滄海之一粟。”

從某種意義上說，宇宙的邊緣很容易標(biāo)記出來：即一束光從時(shí)間的開始可能飛越的距離，除此之外我們無法觀測(cè)。也就是說，超出了所謂的“可觀測(cè)宇宙”。你會(huì)猜測(cè)，從宇宙中心到邊緣的距離就是宇宙的年齡（138億年）乘以光速：138億光年。

可是，空間一直在延伸，正如機(jī)場(chǎng)的自動(dòng)人行道讓大步流星的乘客的前行速度更快一樣，空間的移動(dòng)通道也加速了光的飛越。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，自時(shí)間開始的138億年里，我們的可觀測(cè)距離達(dá)到了463億光年；如果我們看到的這束光的起點(diǎn)是宇宙大爆炸的奇點(diǎn)，那可觀測(cè)宇宙的直徑就是926億光年。

愛丁堡大學(xué)天文學(xué)家安德魯·利德爾說：“由于沒有比光速更快的東西，所以原則上任何事情都可能發(fā)生在可觀測(cè)宇宙之外。宇宙可能會(huì)終結(jié)，但是我們無法知道?！?/p>

但是我們有充分的理由懷疑整個(gè)宇宙（區(qū)別于可觀測(cè)宇宙）比我們所能觀察到的部分要遙遠(yuǎn)得多，而且有可能無限遠(yuǎn)。那么，我們?cè)趺茨苤浪鼈兪窃诳捎^測(cè)宇宙之外呢？

想象一下在魚缸里游動(dòng)的細(xì)菌。它怎么才能知道看似無限的世界的真實(shí)程度呢？透過玻璃曲面的光線形成的扭曲可能會(huì)提供一條線索。同樣，宇宙的曲率也告訴了我們它的最終尺寸。

帝國理工學(xué)院的天體物理學(xué)家羅伯特·特羅塔說：“宇宙的幾何形狀可以有三種不同的類型。它可以是封閉的（像一個(gè)球體），開放的（像一個(gè)馬鞍）或平坦的（像一張桌子）。”

封閉的幾何意味著宇宙是有限的，而另外兩個(gè)在理論上就意味著宇宙是無限的。

測(cè)量宇宙曲率的關(guān)鍵是宇宙微波背景輻射（CMB），即宇宙大爆炸40萬年后的等離子火球散發(fā)出來的光線。這是我們的宇宙年輕時(shí)的快照。

古代的地理學(xué)家曾經(jīng)利用地球地平線的曲度來計(jì)算我們星球的大小；同理，天文學(xué)家正在利用我們宇宙視野的曲度來估量宇宙的大小。

關(guān)鍵是利用衛(wèi)星來測(cè)量宇宙微波背景不同特征的溫度。這些特征在宇宙微波背景上造成的扭曲被用來計(jì)算其幾何。特羅塔說：“因此，確定宇宙的大小和幾何可以幫助我們確定整個(gè)宇宙剛剛誕生時(shí)發(fā)生的事情?！?/p>

自20世紀(jì)80年代末以來，三代衛(wèi)星已經(jīng)繪制了宇宙微波背景圖，分辨率不斷提高，對(duì)宇宙曲率的評(píng)估越來越精細(xì)。最新的圖像發(fā)布于2013年3月，數(shù)據(jù)來自歐洲航天局的普朗克望遠(yuǎn)鏡，其估計(jì)的曲率完全平坦，測(cè)量精度至少在±0.4%之內(nèi)。

宇宙的極端平坦性支持宇宙膨脹理論。這個(gè)理論認(rèn)為，宇宙誕生之后10 -36秒，宇宙膨脹得像一個(gè)氣球，在擴(kuò)張和平伸其表面特征時(shí)膨脹了許多個(gè)數(shù)量級(jí)。

雖然±0.4%的誤差意味著我們不能確定，但完美的平坦度很可能意味著宇宙是無限的。宇宙仍然有可能是有限的，但非常大。特羅塔和他的同事使用普朗克數(shù)據(jù)研究出現(xiàn)實(shí)宇宙的最小尺寸至少是可觀測(cè)宇宙的250倍。

下一代望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該能夠改進(jìn)普朗克望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，是否會(huì)給出宇宙大小的明確答案還有待觀察。位于智利的微波望遠(yuǎn)鏡新CLASS陣列項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人查爾斯·本奈特說：“我仍然會(huì)把宇宙想象為幾乎非常平坦的，但還不是很有信心?！?/p>

事實(shí)證明，由于背景噪聲，無論望遠(yuǎn)鏡功能有多么強(qiáng)大，精確地測(cè)量宇宙曲率仍然很難。2016年7月，牛津大學(xué)的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)我們恐怕不能測(cè)量低于大約0.01%的曲率，所以我們還有一段路要走。盡管目前已經(jīng)有了不錯(cuò)的測(cè)量結(jié)果，很多物理學(xué)家都認(rèn)為宇宙可能是無限的，但少數(shù)充滿激情的人拒不接受這種觀點(diǎn)。

英國偉大的物理學(xué)家保羅·迪拉克說，物理學(xué)界最重要的挑戰(zhàn)是擺脫無窮無盡這個(gè)概念。哥倫比亞大學(xué)天體物理學(xué)家揚(yáng)娜·萊文在其2001年的回憶錄《宇宙中的星星點(diǎn)點(diǎn)是怎么來的》中指出：“自然界沒有觀察到無窮無盡；科學(xué)理論中也無法容忍無窮無盡?！?/p>

那么，物理學(xué)家為什么總是認(rèn)為宇宙本身可能是無限的呢？這個(gè)想法可以追溯到物理學(xué)的奠基人。比如說，牛頓推論，基于他的引力定律，宇宙肯定是無限的。根據(jù)這個(gè)定律，宇宙中的一切都有吸引作用。但如果是這樣的話，宇宙最終將被拉向一個(gè)點(diǎn)，就像一顆恒星由于自身的引力而最終坍塌一樣。這與他堅(jiān)信宇宙一直存在的觀點(diǎn)不一致。所以，他認(rèn)為，唯一的解釋是無限性，即所有方向上的同等拉力將保持宇宙靜止并永恒。

250年后的20世紀(jì)初，阿爾伯特·愛因斯坦同樣設(shè)想了一個(gè)永恒無限的宇宙。他最宏大的宇宙論——廣義相對(duì)論——在無限的時(shí)空中展現(xiàn)出來。

從數(shù)學(xué)上來講，提出一個(gè)永遠(yuǎn)持續(xù)的宇宙比處理邊緣要容易得多。然而，無限是不真實(shí)的，是夸張的，很荒謬。

阿根廷作家豪爾赫·路易斯·博爾赫斯在他的短篇小說《巴別塔圖書館》中設(shè)想了一個(gè)無限的圖書館，里面收藏著所有剛好410頁的圖書：“每一行直言不諱、合乎情理的話，總是有一團(tuán)團(tuán)不合情理、不和諧、雜亂的詞語以及前矛后盾。”因?yàn)樽帜傅慕M合有這么多的可能性，可能寫出來的書數(shù)量有限，所以圖書館本身注定會(huì)不斷重復(fù)。

一個(gè)無限的宇宙得出類似的結(jié)論。因?yàn)樵釉诳臻g的排列方式實(shí)在太多，即使在直徑930億光年的空間中，無限的宇宙也要求必須有與我們所有方面完全相同的另一個(gè)巨大的空間區(qū)域。這意味著存在另一個(gè)銀河系，另一個(gè)地球，另一個(gè)版本的你和另一個(gè)版本的我。

麻省理工學(xué)院物理學(xué)家馬克斯·泰格馬克已經(jīng)運(yùn)行了這個(gè)數(shù)字。他估計(jì)，在一個(gè)無限的宇宙中，與我們相同的宇宙片區(qū)出現(xiàn)的頻率可能是每10 10115米（一個(gè)非常龐大的數(shù)字，1后面0的個(gè)數(shù)比可觀測(cè)宇宙中的原子數(shù)還要多）一次。所以，別擔(dān)心逛商店時(shí)會(huì)碰到另一個(gè)你?？墒侨R文還是不接受：“是由于傲慢或邏輯使我相信這是錯(cuò)誤的嗎？只有一個(gè)我，也只有一個(gè)你；宇宙不能是無限的?！?

萊文是從新的角度來看待廣義相對(duì)論的首批理論家之一。她沒有考慮描述空間形狀的幾何圖形，而是考慮了它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：連接的方式。她認(rèn)為，所有關(guān)于平坦的、封閉的或開放的宇宙的假設(shè)只適用于巨大的球形宇宙，其他形狀從拓?fù)浣嵌葋碚f可能呈扁平狀，并且仍然是有限的。

斯蒂芬·霍金在《辛普森一家》1999年的一集中說：“你對(duì)甜甜圈形宇宙的想法是有趣的，我可能得盜用這個(gè)主意?！睂?shí)際上，這個(gè)節(jié)目的作者已經(jīng)盜用了萊文的想法，萊文于1998年剛發(fā)表了她對(duì)甜甜圈形宇宙的分析。

她指出，從拓?fù)浣嵌葋碚f，環(huán)狀實(shí)際上是零曲率，因?yàn)閮?nèi)部的負(fù)曲率與外部的正曲率相平衡。因此，在宇宙微波背景測(cè)量的（近）零曲率與一個(gè)平坦的表面一樣，與這個(gè)甜甜圈一致。

萊文意識(shí)到，在這樣一個(gè)宇宙里，你要乘坐太空船才可能穿越宇宙，回到自己的起點(diǎn)。這個(gè)想法對(duì)目前在蒙大拿州立大學(xué)工作的澳大利亞物理學(xué)家尼爾·考尼什是個(gè)啟發(fā)，去思考來自宇宙微波背景的最古老的光如何環(huán)繞宇宙。如果這個(gè)環(huán)狀宇宙低于閾值，那就會(huì)形成一個(gè)能夠說明問題的跡象，考尼什稱其為“空中的圈”?？上?，2001年宇宙微波背景輻射的數(shù)據(jù)從威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）返回時(shí)，并沒有發(fā)現(xiàn)這樣的痕跡。這并不完全排除甜甜圈理論，但確實(shí)意味著如果宇宙是個(gè)甜甜圈，那就是一個(gè)超級(jí)巨大的圈。

試圖直接證明或反駁宇宙無限性的做法似乎將我們引入了一條死胡同，至少在現(xiàn)有技術(shù)條件下是這樣。但考尼什認(rèn)為，我們可以通過推理做到這一點(diǎn)。膨脹理論在解釋我們宇宙的主要特征方面很有說服力，膨脹的多個(gè)分支之一就是多元宇宙理論。

這種理論，當(dāng)你第一次聽到的時(shí)候，似乎是一個(gè)喜歡發(fā)揮擴(kuò)展思路的科幻小說作者想出來的，實(shí)際上，它是由有影響力的斯坦福大學(xué)物理學(xué)家安德烈·林德于20世紀(jì)80年代首次提出的。林德與麻省理工學(xué)院的艾倫·古思和俄羅斯朗道理論物理研究所的阿列克謝·斯塔羅賓斯基都是膨脹理論的設(shè)計(jì)師。

古思和斯塔羅賓斯基認(rèn)為，大爆炸之后的第一個(gè)極其短暫的分裂時(shí)期就已經(jīng)出現(xiàn)了膨脹；林德認(rèn)為這種膨脹一直在繼續(xù)，而且新的宇宙如同姜的根一樣永遠(yuǎn)不斷地發(fā)芽。

自此之后，林德表明“永恒的膨脹”可能是任何膨脹模式不可避免的一個(gè)組成部分。這種永恒的膨脹或多元宇宙模式對(duì)林德很有吸引力，因?yàn)樗鉀Q了所有最大的奧秘：為什么物理定律看上去經(jīng)過了微調(diào)以便允許我們存在。

引力的強(qiáng)度足以讓穩(wěn)定的恒星形成并燃燒，電磁力和核力正是原子形成、復(fù)合體分子發(fā)展和我們誕生所需的力量。

在每個(gè)新生的宇宙中，這些常數(shù)都是隨機(jī)分配的。 在有些這樣的宇宙中，引力可能非常強(qiáng)大，大到了大爆炸之后立刻崩塌；在其他宇宙中，引力卻非常弱，弱到氫原子永遠(yuǎn)不會(huì)凝結(jié)成恒星或星系。隨著無數(shù)新宇宙的萌生和滅絕，偶然會(huì)跳出一個(gè)適合生命演化的宇宙來。

多元宇宙理論有其批評(píng)者， 特別是膨脹理論的創(chuàng)始人之一保羅·斯坦哈特，他于2014年告訴《科學(xué)美國人》：“科學(xué)思想應(yīng)該簡(jiǎn)單，具有解釋性和預(yù)測(cè)性。目前我們理解的膨脹多元宇宙似乎沒有這些屬性。”與此同時(shí)，亞利桑那大學(xué)的保羅·戴維斯在《紐約時(shí)報(bào)》上寫道：“援引無數(shù)看不見的宇宙來解釋我們看到的不尋常特征，就跟援引一個(gè)看不見的造物主一樣特別?！?/p>

但是，從另一個(gè)角度來說，多元宇宙在兩種膨脹模型中比較簡(jiǎn)單。正如查爾斯·達(dá)爾文的自然選擇理論解釋了物種的起源，用幾個(gè)方程式或者僅僅幾句話，多元宇宙論給了我們解釋我們宇宙起源的機(jī)制。正如馬克斯·泰格馬克說的那樣：“我們發(fā)現(xiàn)，我們的判斷歸根結(jié)底是更加浪費(fèi)且越來越不雅：要么是許多世界，要么是許多詞語?！?/p>

為了解決這個(gè)問題，我們需要更多地了解宇宙第一個(gè)短瞬間發(fā)生了什么。也許引力波將給出答案，通過它“聽到”大爆炸本身的震動(dòng)。

不論無限還是有限，也不論單一還是無數(shù)之一，宇宙肯定是一個(gè)令人費(fèi)解的地方。它帶我們回到《銀河系漫游指南》：“如果有什么真正的事實(shí)，那就是有一伙瘋子在經(jīng)營這個(gè)宇宙的整體多維無限?！?