宇宙七問

石無魚

宇宙年齡有多大？

一個世紀(jì)前，如果你問宇宙學(xué)家：“宇宙年齡有多大？”回答多半是“無限大”。通過這一回答，他也巧妙地回避了“宇宙是如何形成的”這一問題。因為年齡無限大，當(dāng)然也就沒有開始，沒有終結(jié)。甚至連愛因斯坦也不能免俗，這種看法體現(xiàn)在他在1917年提出的靜態(tài)宇宙模型中。

萬有引力塑造了宇宙。在廣義相對論中，引力被描述為有質(zhì)量的物體對其周圍時空的彎曲。1920年代中期，比利時天體物理學(xué)家喬治·勒梅特證明，根據(jù)廣義相對論，宇宙不是靜止的，而是膨脹的，因此倒溯回去，必有那么一個時刻，宇宙中所有的一切都包含在一個極其微小的“原始原子”中。不過，這個想法太驚世駭俗了，當(dāng)時很多人無法接受。

1960年代，勒梅特的思想時來運轉(zhuǎn)，當(dāng)時天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了宇宙中最古老的光——宇宙微波背景輻射。這表明宇宙中的一切確乎都始于一個溫度極高，密度極大的狀態(tài)：大爆炸。

如今，大多數(shù)宇宙學(xué)家確信大爆炸發(fā)生在138.5億年前。這個數(shù)字是基于宇宙膨脹速率計算出來的，會有一些誤差，因為目前有兩種估計宇宙膨脹速率的方法，給出的值有些出入（見“宇宙膨脹有多快？”）?？紤]到誤差，宇宙年齡的范圍在120億至145億年之間。

這個數(shù)值可信嗎？我們可以參照已知的最古老恒星加以核對。HD 140283是一顆古老的恒星，因為它幾乎完全由氫和氦組成，而氫和氦是大爆炸之初宇宙中存在的主要元素，其他元素都要待到后來才能合成。天文學(xué)家估計HD 140283的年齡是144.6±8億年，跟宇宙的年齡非常接近。

這一事實表明，為我們提供宇宙年齡估算的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型——關(guān)于宇宙演化的廣義相對論模型——是可靠的。對于宇宙年齡，我們基本上沒什么歧義。

不過，對于宇宙的其他許多性質(zhì)，我們就不能這么肯定了。

宇宙有多大？

抬頭仰望深邃的夜空，你會情不自禁地想，它到底會延伸到多遠呢？在人類歷史的大部分時間里，人們普遍認(rèn)為，地球處于宇宙中心，其周圍被恒星等天體圍繞，這些天體之外，是通往天堂的一片虛空。然而，自哥白尼革命以來，這種觀點已被推翻。我們現(xiàn)在知道，宇宙中有著無數(shù)個像太陽系一樣的恒星系。天文學(xué)家想出了各種方法來測量天體的距離。

這些方法統(tǒng)稱為“宇宙距離階梯”法，即從近及遠，向宇宙的縱深步步推進，一直到在最大尺度上看起來也足夠明亮的天體（一般是超新星）。這樣，我們就可以測量整個宇宙。

目前，我們測到的最遙遠的星系是GN-z11。它發(fā)出的光到達我們要134億年——跟宇宙年齡很接近。那是不是意味著它現(xiàn)在離我們134億光年呢？錯了。要知道，宇宙從誕生時起，時空一直在膨脹。換句話說，當(dāng)這個星系發(fā)出一束光，在馬不停蹄地趕往地球期間，星系本身也在飛速地遠離我們。從標(biāo)準(zhǔn)模型給出的宇宙膨脹速率推算，它現(xiàn)在大概離我們320億光年遠。外推到整個可觀測宇宙，天文學(xué)家估計它的直徑為930億光年，相當(dāng)于1026米。

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超新星

某些恒星在演化接近末期，會經(jīng)歷一場劇烈的爆炸。這種爆炸極其明亮，可能持續(xù)幾周至幾個月才會逐漸衰減，而在此期間所釋放的輻射能量，可以與太陽在其一生中輻射的能量總和相當(dāng)。這種恒星就是超新星。

但這并不意味著，你一直朝前走1026米，然后就會撞到一堵墻。這里說的僅僅是可觀測的宇宙，真實的宇宙遠不止這么點大。

小貼士

宇宙暴脹

暴脹可不是無緣無故提出來的，沒有它，我們就無法解釋“宇宙從大尺度上看，物質(zhì)均勻分布”這一現(xiàn)象。

一顆被大質(zhì)量天體（中）擋住的恒星（左）通過引力透鏡效應(yīng)，依然能被我們（右）看見。

因為根據(jù)大爆炸理論，宇宙誕生之后，所有物質(zhì)都還是微觀粒子。在嬰兒宇宙中，這些粒子的分布隨著漲落，這里多一點，那里少一點，在密度上會有差異。如果宇宙是靜止的，漲落造成的結(jié)果可以通過臨近空間的物質(zhì)運動和隨著時間的流逝而消除。但嬰兒宇宙快速膨脹，漲落形成后，相鄰空間來不及物質(zhì)交換就被彼此分開了。于是，漲落就永久保留了下來。這樣長大“發(fā)育”起來的宇宙，物質(zhì)分布當(dāng)然也不會均勻。

但天文觀測到的事實恰恰是，物質(zhì)在宇宙中的分布是相當(dāng)均勻的。為了解釋這個顯而易見的矛盾，暴脹就派上用場了：宇宙誕生之后，經(jīng)歷過一次暴脹。暴脹把一小塊一小塊空間迅速脹成一大塊一大塊。我們現(xiàn)在所看到的宇宙，可能是由最初非常非常小的一塊膨脹而來的。既然原先大家都擠在一小塊空間，密度差異必定也非常微小，可以近似地看作是均勻劃一的，那么現(xiàn)在物質(zhì)分布看起來均勻也就不奇怪了。也就是說，我們現(xiàn)在生活的宇宙，只是最初宇宙中非常非常小的一塊。

至于暴脹的推動力來自何物，這可是暴脹理論自身無法回答的，只好杜撰了一個能量很高的“暴脹場”，說它是幕后主謀。

到底有多大？這就無法說了，因為我們無法超越宇宙的視界。大多數(shù)宇宙學(xué)家認(rèn)為，在大爆炸之后，宇宙立即經(jīng)歷了一個稱為“暴脹”的指數(shù)式膨脹過程。暴脹表明，真實宇宙比我們所能看到的要大得多（見小貼士“宇宙暴脹”）。而且，雖然在我們這里暴脹已經(jīng)停了，但誰能保證在別的地方不會持續(xù)發(fā)生呢？若是這樣的話，真實宇宙就像一堆還在持續(xù)不斷地產(chǎn)生新氣泡的泡沫;我們所在的宇宙只是氣泡中的一個，而我們所說的可觀測宇宙，又是這個氣泡上的一小塊而已。

宇宙膨脹有多快？

時空就像面團在發(fā)酵一樣一直在膨脹。1929年，美國天文學(xué)家哈勃證明了遙遠星系正在遠離我們。我們甚至能夠通過測量無數(shù)星系跟地球的距離，并將這些距離與它們的紅移（每個星系所發(fā)射的光，其波長由于宇宙膨脹而被拉長的程度）進行比較，來記錄膨脹速率。

在21世紀(jì)初，哈勃太空望遠鏡顯示，宇宙目前的膨脹速率接近每百萬秒差距每秒膨脹75千米（見小貼士“宇宙膨脹速率”）。宇宙學(xué)家認(rèn)為這一點確定下來之后，剩下的工作就是測量這個速率會被萬有引力減慢多少。因為在四種基本作用力中，只有引力在宇宙尺度上起作用，而引力傾向于把所有物體拉到一起，所以對于宇宙的膨脹會起到“剎車”的作用。

歐洲宇航局發(fā)射的“LISA探路者”號衛(wèi)星，或許能告訴我們宇宙的形狀。

宇宙的三種可能形狀

1990年代末，答案出來了，完全出乎我們的意料。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹一點都沒放緩，相反，正在加速。而沒有任何東西能解釋這一現(xiàn)象。

小貼士

宇宙膨脹速率

在天文學(xué)上，用1個百萬秒差距（百萬秒差距，天文學(xué)上的長度單位，相當(dāng)于326萬光年）的空間距離在1秒內(nèi)被拉長的增量來表示宇宙的膨脹速率。

這是什么意思呢？舉個例子?，F(xiàn)有一根長1.5米的橡皮筋，在1秒內(nèi)，你把它拉長到了1.8米，增量是30厘米。那么橡皮筋中原來50厘米長的一段，增量就只有10厘米了。為了計算方便，我們將1米的橡皮筋，在1秒內(nèi)，拉長多少厘米作為增量速率，那么這段橡皮筋的增量速率就是“每秒20厘米每米”。同樣道理，在天文學(xué)上統(tǒng)一規(guī)定“1個百萬秒差距的空間距離”在1秒內(nèi)的增量，作為宇宙膨脹速率。

唯一符合這一要求的是當(dāng)初愛因斯坦提出宇宙靜態(tài)模型時，為了讓宇宙保持靜態(tài)，抵消引力的影響，而人為加入的一項“宇宙常數(shù)”（見小貼士“宇宙常數(shù)”）。于是，這個讓愛因斯坦后悔不迭的“宇宙常數(shù)”，一下子成了香餑餑。天文學(xué)家相信，宇宙常數(shù)代表了現(xiàn)實中一種稱為“暗能量”的作用。正是暗能量推動了宇宙膨脹加速。至于暗能量是什么，至今是個謎。

當(dāng)2013年普朗克衛(wèi)星發(fā)回了迄今最精確的宇宙微波背景分布圖時，事情變得更為棘手。宇宙膨脹速率目前有兩種計算辦法。一種是由太空望遠鏡觀測到的宇宙中那些明亮天體（如超新星）遠離我們的速度來推算，另一種是測量宇宙微波背景分布，然后將數(shù)據(jù)輸入標(biāo)準(zhǔn)模型進行計算。研究人員根據(jù)前一種方法，計算出宇宙膨脹速率是每秒75千米每百萬秒差距，根據(jù)后一種，算得的結(jié)果是每秒68千米每百萬秒差距。兩者有一定的差距。

為了使這兩個值保持一致，宇宙學(xué)家改進了他們的計算，但結(jié)果非但沒拉近，反而擴大了。他們現(xiàn)在懷疑，這是否意味著宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型有問題。譬如說，我們目前僅在百萬秒差距的尺度上證明了，廣義相對論對于引力的描述是成功的，但在更大的尺度上，廣義相對論還勝任嗎？

宇宙有多重？

計算宇宙中有多少物質(zhì)，長期以來一直是宇宙學(xué)家關(guān)注的問題，這主要是因為有太多的物質(zhì)是不可見的。

宇宙的命運取決于暗能量的性質(zhì)

以暗物質(zhì)為例，因它不與光相互作用而得名。這個神秘的物質(zhì)被用來解釋星系和星系團為什么不會解體，因為僅靠普通物質(zhì)的引力，不足以讓它們保持完整。暗物質(zhì)已成為標(biāo)準(zhǔn)模型的重要組成部分，它的引力塑造了宇宙。

我們還沒有直接探測到暗物質(zhì)。然而，通過對宇宙微波背景輻射分布的觀測，物理學(xué)家估計出它與普通物質(zhì)的比例是5：1左右。目前估計，宇宙中總的物質(zhì)-能量構(gòu)成大致是：普通物質(zhì)占5%，暗物質(zhì)占27%，暗能量占68%。

然而，最近出來一個謎團。天文學(xué)家測量了星系在8千秒差距（1千秒差距=3260光年）尺度上的聚集程度。這個被稱為∑-8的數(shù)值，取決于宇宙中有多少質(zhì)量，因為正是這個質(zhì)量產(chǎn)生的引力讓星系聚集成團。這個∑-8我們可以基于觀測，也可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型來推算。這里，同樣產(chǎn)生了令人不安的差異。

根據(jù)不同物質(zhì)的既定比率，標(biāo)準(zhǔn)模型推算的∑-8是0.81。但天文學(xué)家通過觀測引力透鏡效應(yīng)（見小貼士“引力透鏡效應(yīng)”），得到的∑-8值為0.74。這似乎表明，宇宙中的物質(zhì)（包括普通物質(zhì)和暗物質(zhì)）比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的要少。換句話說，暗能量的份額還要擴大。

未來的觀測站，如地面的維拉·魯賓天文臺和歐洲宇航局計劃發(fā)射的歐幾里德天文望遠鏡，將通過觀測更多的引力透鏡效應(yīng)來改進這一結(jié)果。如果差異仍然無法消除，或許這將成為需要對標(biāo)準(zhǔn)模型“大修”的另一理由。

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宇宙常數(shù)

1917年，愛因斯坦根據(jù)他的引力場方程，就解出了宇宙是膨脹的，他囿于傳統(tǒng)觀念，認(rèn)為宇宙應(yīng)該是靜態(tài)的才對，所以他人為地加入了一項比例常數(shù)，來抵消無所不在的引力的影響。該常數(shù)很小，在銀河系尺度范圍可忽略不計，只在宇宙尺度下，才可能有意義，所以叫作宇宙常數(shù)。愛因斯坦后來將其稱為他一生中“最大的錯誤”。在天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹在加速而又不知其所以然的時候，正是宇宙常數(shù)“能抵消引力作用”這一特征，重新引起了他們的興趣?，F(xiàn)在，他們引入宇宙常數(shù)，不滿足于“抵消引力”，而是要“戰(zhàn)勝引力”，唯有這樣才能解釋宇宙膨脹加速這一現(xiàn)象。

宇宙是什么形狀的？

當(dāng)宇宙學(xué)家談?wù)撚钪娴膸缀螌W(xué)時，他們指的是時空的整體結(jié)構(gòu)?！安恢獜]山真面目，只緣身在此山中”。普通人很難想象時空的結(jié)構(gòu)，正如過去人們很難想象地球是圓的。

宇宙學(xué)證據(jù)表明，我們能看到的那部分宇宙中，空間的局部結(jié)構(gòu)在每個點和每個方向上看起來都一樣，沒有任何一點、任何一個方向是特殊的。只有三種曲面符合這種描述：平面、球面和雙曲面（馬鞍形）。像圓筒面就不符合要求，因為在側(cè)面上的點看來，空間的局部結(jié)構(gòu)與上下底面的點看來，就大不相同。

如果從局外看，三種曲面的區(qū)別自然是一目了然的，但對于生活其中的人，該如何判斷自己所在的時空形狀呢？科學(xué)家提出一個衡量標(biāo)準(zhǔn)：如果兩束平行光線射出去后，最后又能匯聚到一點，那么時空是球形的;如果兩束平行光越走越遠，永遠沒有匯聚的可能，那么時空是馬鞍形的;如果兩束平行光線永遠平行下去，那么時空是平坦的。

在不斷膨脹的宇宙中，平坦時空可以排除，所以只剩下兩種可能。如果所有物質(zhì)產(chǎn)生的引力比膨脹強，那么所有的東西最終都會被拽回到一起。在這種情況下，我們生活在一個“封閉”的或球形的宇宙。然而，如果驅(qū)動膨脹的力量壓倒了引力，那么我們就處在一個永遠膨脹的或“開放的”宇宙中，宇宙是馬鞍形的。

但是，不管宇宙整體上是球形還是馬鞍形的，如果我們只取非常小的一塊，那么這一小塊都可以近似地看成是扁平的。這跟“任何曲線的非常小的一段都可近似地看作是直線”是一個道理。

前面提到暴脹理論時已經(jīng)說過，我們的可觀測宇宙之所以物質(zhì)分布如此均勻，就是因為它是由真實宇宙的一小片通過暴脹得來的。所以，雖然真實宇宙肯定不是平坦的，但是在宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，我們假定宇宙（可觀測宇宙）是平坦的。

但是，總還是有人懷疑：把可觀測宇宙看成是平坦的，可靠嗎？倘若它不是真實宇宙的一小塊，而是一大塊呢？

這個問題也可以這樣問：在這個假設(shè)下，有遇到太多的現(xiàn)象無法解釋嗎？或者產(chǎn)生許多自相矛盾的結(jié)果？如果是這樣，我們就有理由懷疑這個假設(shè)是否正確。（歷史上，地心說最初就是遇到太多的現(xiàn)象無法解釋而引起我們懷疑的）。但實際情況是，目前來說，基于平坦假設(shè)的宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型能解釋絕大多數(shù)宇宙現(xiàn)象，所以看來這個假設(shè)一時還不成問題。

但最近也有一個令人不安的例子。意大利的一個團隊分析了普朗克衛(wèi)星測量得到的宇宙微波背景輻射溫度分布。他們想看看，宇宙微波背景輻射在向我們傳播的過程中，會在多大程度上受到引力透鏡的扭曲。他們發(fā)現(xiàn)，扭曲程度要高于標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的結(jié)果——除非我們放棄平坦假設(shè)，認(rèn)為宇宙在一定程度上有彎曲。

不過，放棄宇宙平坦假設(shè)可不是個好建議，這是一個牽一發(fā)動全身的問題。就像水中按葫蘆，這頭按下去，那頭翹起來。放棄之后，也許A現(xiàn)象可以解釋了，但原先能解釋的B現(xiàn)象，現(xiàn)在反倒不能解釋了。

對于這個問題，最好的解決辦法是對宇宙早期的演化（尤其是暴脹）有更多的了解。如果我們能探測到任何從宇宙最遙遠的地方向我們傳來的原始引力波，就能打開一扇觀察早期宇宙的窗口。但由于宇宙的膨脹，原始引力波比黑洞碰撞中產(chǎn)生的引力波，其波長要長得多。所以地面最先進的引力波探測器也無法探測，這就像人們?nèi)庋圩钚】梢钥吹?80-780納米的東西，而氧原子的直徑只有0.148納米，所以人們?nèi)庋凼强床坏皆右粯印?h3>宇宙有多少個？

如前所述，當(dāng)宇宙學(xué)家提出暴脹的時候，他們很快就意識到，暴脹可以在任何時間任何地點發(fā)生，它很久以前就發(fā)生過，現(xiàn)在宇宙的某些地方依然在發(fā)生。

這個被稱為“永恒暴脹”的劇情，產(chǎn)生了一堆宇宙“泡泡”。我們自己就身處其中一個。所有這些“泡泡”都擠在一起，而且更多的還在萌生。但是我們對自己所在的宇宙“泡泡”都不能知其全貌，所以其他“泡泡”更在我們的觀測能力之外。

當(dāng)然，看不到并不意味著我們就不能想象：宇宙“泡泡”可能有多少個？它們可能會有些什么？

根據(jù)永恒暴脹說，宇宙“泡泡”的數(shù)量是無窮無盡的。每個宇宙“泡泡”中的東西，都跟我們這里有天壤之別。這個觀點源于弦理論。弦理論試圖把引力量子化，為此它用存在于多維空間——通常是10或11維——中的微小振動弦代替了熟悉的點狀粒子，并預(yù)測至少有10500種不同的組合，每一組合對應(yīng)著一種宇宙“泡泡”。所以，不同的宇宙“泡泡”中，不僅存在的粒子和物理學(xué)常數(shù)（如引力常數(shù)、電子電荷等）可能不一樣，甚至物理學(xué)規(guī)律可能都不同。

這樣的猜測幾乎是沒法驗證對錯的。不過，有一個宇宙“泡泡”，我們或許已經(jīng)看到了它存在的證據(jù)。2016年，南極脈沖瞬態(tài)天線（ANITA）探測到一個高能粒子。說也奇怪，它不是從太空來，而是從地球上冒出來的。兩年后，它又第二次被發(fā)現(xiàn)了。有一種解釋是，這個粒子可能來自一個與我們相鄰的宇宙“泡泡”。

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引力透鏡效應(yīng)

根據(jù)廣義相對論，大質(zhì)量天體的周圍，時空會扭曲。因此，當(dāng)來自遙遠天體的光線，傳播到地球之前，若經(jīng)過大質(zhì)量天體附近，其路徑將被彎曲，像光通過凸透鏡一樣。遙遠天體實際的位置，跟我們所看到的位置（實際上是像的位置），會有一定的偏移。

在愛因斯坦提出廣義相對論不久，英國天文學(xué)家愛丁頓通過對日全食的觀測，首次驗證了這一結(jié)果。愛丁頓所觀測到的，實際上就是太陽的引力透鏡效應(yīng)。

宇宙什么時候終結(jié)？

在暗能量被發(fā)現(xiàn)之前，宇宙的未來取決于它的幾何學(xué)。如果是封閉的，它會再自行坍塌，重新變成一個密度無限大的奇點。如果是開放的，它會永遠膨脹下去。

現(xiàn)在，由于暗能量的存在，“大崩塌”的結(jié)局可以排除。宇宙將會永遠膨脹下去。

但又有兩種可能。如果暗能量是個常數(shù)，不隨時間而改變，那么宇宙膨脹最終會變成常態(tài)，星系團彼此離得越來越遠。我們將在宇宙中孤零零地生活。這種劇情有時被稱為“熱寂”，或“大凍結(jié)”：所有恒星終將死亡，宇宙物質(zhì)在溫度上趨于平衡。由于沒有溫差，能量無法流動，宇宙逐漸進入一種衰老狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，什么也不會再發(fā)生。

另一種可能是，如果暗能量不斷增強，膨脹不斷加速，那么宇宙將面臨“大撕裂”。被撕裂的不僅有星系團、星系，甚至還有分子、原子。

只有當(dāng)我們知道暗能量是什么的時候，我們才能知道宇宙以哪種方式終結(jié)。不過，當(dāng)你覺得這一切太遙遠了的時候，有一種辦法可以讓宇宙明天就終結(jié)。這個把戲叫“量子隧道效應(yīng)”。在這種量子把戲中，宇宙會突然把自己變成另一個性質(zhì)完全不同的宇宙。物理學(xué)常數(shù)甚至物理定律，都和我們的宇宙大不一樣。于是，一切都瞬間瓦解。雖然發(fā)生這種事情的概率極其微小，但它完全是隨機的，所以任何時刻都有可能發(fā)生。

但愿你讀完這篇文章，完好無恙，什么都沒有發(fā)生。