宇宙到底怎么個“大”法

董亮

人們說，宇宙很大。但要真正了解宇宙有多大，我們可能無能為力。一方面，我們?nèi)粘５恼Z言和概念很難形容宇宙的廣闊;另一方面，我們觀察到的宇宙范圍有限;再一方面，我們可能甚至遭到無法克服的束縛，從而使我們永遠(yuǎn)沒有觀察宇宙真相的工具。

天文數(shù)字

大部分人連對地球的大小都沒有概念，更別說銀河系和星際空間了。我們常常使用光年——光一年能走過的距離——作為度量單位，因為用光速形容，似乎比一個幾萬億公里之類的數(shù)值更加直觀。當(dāng)光成為參照物時，我們就可以說光從地球到達(dá)月亮需要1.3秒，來描述地月距離。

然而，我們?nèi)粘Ｋ兄墓馐且环N瞬間到來、瞬間消失的物質(zhì)。這種無法捕捉到距離概念的物質(zhì)，又怎樣幫助我們真正感受距離呢？用光來描述距離，就好像用原子的數(shù)量來描述高樓大廈的高度。

再有創(chuàng)意一點(diǎn)，我們可以將生活經(jīng)驗代入。月亮離地球有3200萬輛校車連起來那么長！如果你以60英里時速開校車去月球，要走166天！看上去很形象，但這能有多大幫助呢？不好說。

數(shù)字大到一定程度、遠(yuǎn)離我們生活的范疇，我們就對它失去概念了。有時，為了讓大數(shù)字看上去不要那么夸張，我們會“作弊”一下。例如把描述天文距離的計量單位弄得數(shù)值很大，從公里到光年，到秒差距，到千秒差距、兆秒差距、千兆秒差距……這樣寫起來比較舒服。

還有冪的幫忙，1000是10的三次冪，1萬億是10的12次冪。數(shù)字位數(shù)每十倍增加一位，再使用科學(xué)計數(shù)法，數(shù)字看上去又變得簡練了。

在太陽系之內(nèi)，我們?nèi)サ侥骋粋€點(diǎn)（例如太陽系邊緣）要花多長時間、走多遠(yuǎn)路，多少都可以用人們能理解的方式描述一番。但理解整個宇宙不能用這種方法。

理解宇宙距離的困難，不僅僅在于數(shù)字大得沒邊，而且和宇宙的性質(zhì)有關(guān)。從“大爆炸”開始，宇宙就在擴(kuò)張，而且沒有停下來的跡象。當(dāng)仰望天上星河的時候，你不但要明白那些星星的年齡已經(jīng)十分古老，你還要知道它們早就不再留在你所看到的位置了。

就拿超新星爆發(fā)來說吧。10億光年外的超新星爆發(fā)，意味著爆發(fā)發(fā)生在10億年前，因為光走了10億年才被我們看到。但是隨著宇宙擴(kuò)張，現(xiàn)在它卻離我們不止10億光年了。

所以討論宇宙距離的時候，絕大多數(shù)人會犯迷糊：討論天體離我們有多遠(yuǎn)，究竟是討論它們過去離我們有多遠(yuǎn)、還是現(xiàn)在離我們有多遠(yuǎn)呢？比較A天體離我們有多遠(yuǎn)和B天體離我們有多遠(yuǎn)，A天體、B天體和地球三者之間的距離關(guān)系又怎樣理解呢？

無限有界

雖然宇宙距離概念令人頭暈?zāi)X漲，但科學(xué)家依然努力嘗試了解宇宙的大小和邊界。無數(shù)的星系被觀察，無數(shù)的星系圖被繪制。人們試圖從中尋找線索，了解宇宙的邊緣或者中心在哪里。

然而，一無所獲。

人們似乎只能相信，宇宙是無限的。無論從哪個方向觀察，它的形式不會有太明顯的變化。

宇宙可能是無限的，但人類觀察到的宇宙是有邊界的。無論望遠(yuǎn)鏡有多強(qiáng)大、無論觀察多長的時間，人類的觀察，無法突破一個叫作“可觀測宇宙”的范圍的束縛?？捎^測宇宙是一個想象中的球狀物，人類處于球的中心。球的大小由光速和宇宙的年齡來界定：當(dāng)一束光用宇宙誕生的所有時間來到我們眼前時，這束光走過的距離，就是可觀測宇宙的球半徑。

宇宙誕生的第一束光，用了138億年才讓人類看到。人們看到這束光時，就看到宇宙的過去，看到宇宙最初的樣子。這束光被稱為“宇宙地平線”。而宇宙地平線以外的東西實在太遠(yuǎn)，即使從宇宙誕生起就開始出發(fā)，現(xiàn)在依然不能走到人類面前。

人們相信，宇宙地平線以外肯定還有星系。正如當(dāng)人站在陸地上望向海洋，海洋看似一望無際;但人坐上船后，地平線會發(fā)生變化，最終在某一個位置，人會看到另一片陸地。假如乘著星際飛船飛到宇宙另一個角落，人類也會看到新的宇宙地平線?？上芪锢矶珊涂萍及l(fā)展的限制，人類目前無法去另一個能對宇宙展開全新觀察的地方，但依然可以通過觀察宇宙地平線本身，來猜想地平線以外的世界。

可觀測宇宙的邊緣是一幅令人震撼的圖景。越遙遠(yuǎn)的光越古老，最早的宇宙像烘爐一樣，熱氣和火焰稠密地混合在一起。隨著宇宙擴(kuò)張，烘爐狀態(tài)在38萬年后開始緩和，宇宙的溫度逐漸冷卻，光以及其他粒子開始可以自由運(yùn)動。

燃燒的宇宙構(gòu)成了可觀測宇宙的邊界。但正如前面超新星例子所說明那樣，宇宙地平線離我們遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止138億光年。通過收集各類數(shù)據(jù)，人們可以測算宇宙擴(kuò)張的速度，從而得知可觀測宇宙的邊界目前離地球約有450億光年之遙。

人們還嘗試推測可觀測宇宙之外的樣子。宇宙向各個方向膨脹，膨脹到離地平線遠(yuǎn)得多的地方。這意味著假如我們生存在一個宇宙地平線以外的星系，我們看到的宇宙與現(xiàn)在看到的大同小異。當(dāng)然，理論上說，也許在一個與地平線距離無比遙遠(yuǎn)的位置，宇宙的樣子會截然不同。不過，那真的是我們連推測都推測不出宇宙的樣子了。

高維困境

宇宙之大，我們不能想象。甚至宇宙之大，我們也可能找不到辦法想象。這就涉及維度問題了。

人類認(rèn)識的空間是三維空間，點(diǎn)構(gòu)成線（一維），線構(gòu)成面（二維），面構(gòu)成體（三維）。人類感知的方向，主要是由上下、左右和前后三組方位組合而成。普通人的日常體驗，無法想象出第四組方位、進(jìn)而無法想象四維空間。而經(jīng)過訓(xùn)練的研究者，盡管可以用數(shù)學(xué)工具來描述四維空間，但作為三維空間生物，可能無論如何研究，都不能真正體驗、感受四維空間。

科學(xué)家之所以推測四維空間存在，是因為這有助于解釋一個疑問：為什么引力的大小遠(yuǎn)小于其他三種自然界基本力（電磁力、弱作用力、強(qiáng)作用力）。四維空間理論，想象我們所處的三維空間是一張“膜”，處于四維空間這個“體”內(nèi)。電磁力、弱作用力、強(qiáng)作用力只在“膜”里面生效，但引力會“流出”到“體”之中，這就造成了引力的大小大大降低。

這跟宇宙的大小有什么關(guān)系呢？“膜”的假設(shè)引申出“膜宇宙”理論。我們所認(rèn)識的三維宇宙，依附于一個四維宇宙。四維宇宙中還有更多的“膜宇宙”，“膜”與“膜”之間碰撞，形成所謂“大爆炸”的狀態(tài)。大爆炸之后宇宙擴(kuò)張，最終又會再次碰撞到其他宇宙，出現(xiàn)坍縮，再重新爆炸，如此周而復(fù)始?！澳び钪妗崩碚撜J(rèn)為，目前可觀測宇宙邊緣的熊熊烈火，就是不同宇宙碰撞后的產(chǎn)物。

“膜宇宙”對經(jīng)典的大爆炸理論有一定修正。后者認(rèn)為，宇宙最初是一個極緊密、極熾熱的奇點(diǎn)，逐漸膨脹到現(xiàn)在的狀態(tài)。但是這套理論解釋不了一種現(xiàn)象：大爆炸會留下一種叫宇宙微波背景的輻射，就是這種輻射向我們透露了宇宙在38萬年前開始“降溫”。無論我們從哪個方向觀察，任何觀察到的宇宙微波背景的數(shù)據(jù)，包括光譜、密度等高度一致，誤差程度只有10萬分之一。

這讓人產(chǎn)生疑問：不同方向的宇宙微波背景彼此距離非常遙遠(yuǎn)，它們?nèi)绾伪３譅顟B(tài)一致？即使在奇點(diǎn)階段，宇宙只是很小的一團(tuán)，保證各個位置的狀態(tài)均勻，但擴(kuò)張的過程中難道不應(yīng)該出現(xiàn)各種不同情況、令向外擴(kuò)張的不同位置演化出不同狀態(tài)嗎？

科學(xué)家提出“暴漲”理論，試圖解決這個問題——宇宙可能遭遇過瞬間擴(kuò)張，可觀測宇宙在很短時間內(nèi)、從古老宇宙的很小范圍中“膨脹”而成。所以，當(dāng)我們順著宇宙微波背景觀察可觀測宇宙的過去時，會發(fā)現(xiàn)各處狀態(tài)一致。

“膜宇宙”理論補(bǔ)充了“暴漲”理論的一些空白，它推測“暴漲”的動力來源于“膜”與“膜”在四維空間的碰撞。兩者相接觸后產(chǎn)生巨大能量，激發(fā)瞬間擴(kuò)張，同時讓我們看到可觀測宇宙邊緣燦爛的火光四射場景。

然而，怎樣證明四維空間存在呢？就算能證明四維空間存在，我們又能否到四維空間觀察到不同宇宙之間的碰撞呢？這是將猜想轉(zhuǎn)化為證明的困難所在，這也是即使“膜宇宙”理論言之有理、我們卻也難以看清宇宙真正大小的原因所在。

（張迪摘自《看世界》2020年第17期）