第6章 我们的宇宙

没有什么比对宇宙的沉思更能让我们理解人类存在的背景了。你坐在起居室把酒读书之时，可能不会想到在你附近发生的事情会受整个宇宙的演化所影响。我们在地球上的生活中许多至关重要的特征——关于时间流逝的概念，因果的存在，对过去的记忆，以及对未来作出选择的自由——它们最根本的原因是大爆炸之后瞬间的状态。要大体理解这个观点，就要从宇宙的角度来思考。

仰望星空带来的感动难以抗拒。远离人类文明的万家灯火，在真正的黑暗中，漆黑的背景点缀着上千的恒星、数个行星，还有壮阔的银河系从天边一角跨越天际横扫到另一角。要从夜空美景认识到宇宙的无垠同样非常困难。我们不能感受这种尺度，也没有熟悉的标志可以让我们判断大小和距离。恒星的外表与行星非常相似，即使我们知道两者大有不同；恒星跟太阳看上去也完全不一样，虽然我们现在知道它们实际上非常相似。

古代的宇宙学家在思索有关宇宙的理论时，将他们理解最深入的事物——也就是人类自己——当成宇宙的支柱，这也许并不令人意外。历史长河各处散落的文明提出了不少富有想象力的宇宙图景，这些文明不约而同地确信我们的家园，也就是大地，在某种意义上是特别的。某些图景想象大地处于宇宙万物的中心，有时候大地又处在最底层，一般来说大地对于创世的力量或者神祗来说都有着特殊的重要性。无论如何，我们有着共同的信念，就是我们在世界的宏大体系中至关重要。

要等到16世纪，意大利哲学家和神秘学家焦尔达诺·布鲁诺（Giordano Bruno）才第一个提出太阳只是众多恒星之一，而地球只是环绕恒星旋转的众多行星之一。布鲁诺在1600年的罗马作为异端被烧死，他的舌头被长铁钉刺穿，下巴被铁丝捆上。在他的异端理论中，关于宇宙的猜测大概不是教会最反感的部分，但对他也没什么好处。

今天我们对宇宙的尺度有了相当程度的理解。布鲁诺的想法可圈可点：从宇宙的角度上来说，并没有什么迹象表明我们有哪怕丝毫的重要性。

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我们关于宇宙的现代图景是从天文学家收集到的数据中千辛万苦拼凑而成的，这些天文学家得到的结果经常与当时理论界的传统智慧格格不入。在一个世纪之前的1915年，阿尔伯特·爱因斯坦刚刚完成他的广义相对论，这个理论认为时空本身是动态的，它的曲率导致了我们所知的引力。在此之前，可以说我们对宇宙在大尺度上的表现几乎一无所知。时空曾被认为是绝对而永恒的，这也符合牛顿力学的认识，而天文学家曾经为了银河系到底是宇宙中唯一的星系还是无数星系中的一个而相持不下。

现在这些基础的事实已经被稳固地确立了。我们所见的横跨夜空的银河系是一个星系——也就是一堆在相互的引力作用下沿着轨道运转的恒星。很难精确计算银河系里有多少恒星，但数量超过千亿。它并不孤独；我们发现至少有千亿个星系散落在可观测宇宙中，它们通常与我们银河系大小相仿（巧合的是，粗粗一算的话，人类大脑中也有大概千亿个神经元）。最近关于附近恒星的研究表明，这些恒星绝大部分都有某种行星，而其中可能六分之一的恒星至少有一个类似地球的行星围绕着它们旋转。

也许星系在太空中的分布里最显眼的特点就是，我们张望得越远，分布就越均匀。在非常大的尺度上，宇宙极端平滑，也没有特点。没有中心，没有上下，没有边界，没有任何特殊的位置。

将所有这些物质播撒在空间中的话，根据广义相对论，它们不会就此静止。星系之间会相互吸引，所以宇宙要么是从更密集的状态扩张而来，要么是从更稀疏的状态收缩而来。在20世纪20年代，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）发现我们的宇宙确实在膨胀。有了这个发现，我们可以根据理论上的理解来反推过去。根据广义相对论，如果我们将早期宇宙的发展倒放，会得到一个奇点，它的密度和膨胀速率接近无穷。

最初描绘这个场景的是比利时的天主教神父乔治·勒梅特（Georges Lemaître），他最初把这个场景叫作“原初原子”，但后来人们称之为“大爆炸模型”。这个模型推测早期宇宙不仅稠密而且高温，以至于当时宇宙可能像恒星内部那样发光，而所有这些辐射即使到了今天仍然充斥于太空之中，可以用望远镜探测到。在1964年那个冥冥前定的春天，事情就这样发生了，在贝尔实验室的天文学家阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）探测到了宇宙微波背景辐射，也就是经过空间膨胀冷却下来的早期宇宙遗留的光线。现在它的温度只比绝对零度高不到3度；这真是个冰冷的宇宙。

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当我们谈到“大爆炸模型”时，我们要将它和“大爆炸”本身小心地区分开来。前者是有关可观测宇宙如何演化的一个理论，业已取得巨大成功，而后者是一个假想的瞬间，我们对它几乎一无所知。

所谓大爆炸模型就是这样的想法：在大概140亿年前，宇宙中的物质极端炽热，被紧紧聚拢在一起，几乎完全均匀地分布在空间中，然后空间开始急速膨胀。在膨胀的过程中，物质被稀释冷却，而在万有引力无休止的拉扯下，均匀的等离子体积淀出恒星和星系。不巧的是，早期宇宙等离子体温度之高密度之大，使得它基本上是不透明的。宇宙微波背景辐射让我们看见宇宙在最初变得透明时的样子，但我们无法直接观察到再之前的情况。

大爆炸本身是广义相对论的预言，它是时间中的一个瞬间，而不是空间中的某一点。它不是已有的虚空中一次物质的喷发，而是整个宇宙的起点，物质均匀分布在整个空间，所有事情就发生在那个瞬间。在它之前没有别的瞬间：没有空间，也没有时间。很有可能它也不是真实存在的。大爆炸是广义相对论的预言，但在密度无限大的奇点处正是我们预料广义相对论会分崩离析的地方——这些奇点在广义相对论的应用范围之外。我们至少可以说，在这样的情况下量子力学将会变得至关重要，而广义相对论只是一个纯粹的经典理论。

所以说，大爆炸并不标志着我们宇宙的起点；它标志的是我们对于物理理论认识的终点。基于观察数据，我们比较清楚大爆炸之后不久发生的事情。微波背景辐射以相当精确的方式告诉了我们大爆炸之后数十万年的景象，而轻元素的丰度告诉我们的是，在大爆炸后数分钟，宇宙作为一台原子聚变反应堆具体做了什么。但大爆炸本身谜团重重。我们不应该将它看作“时间起始处的奇点”；它只是一个标签，描述在时间中我们目前仍不理解的一个瞬间。

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自从人们发现了宇宙在膨胀，有关宇宙未来命运的问题就开始在宇宙学家的心头萦绕不去。宇宙是会永远膨胀下去，还是终有一天会勒马回头逐渐收缩，直到最终的“大挤压”？

在20世纪要收尾的时候出现了这个问题的一个重要提示：在1998年，两个由天文学家组成的团队宣称宇宙不仅在膨胀，而且这种膨胀还在加速。如果你专心观察某个特定的遥远星系并测量它的运动速度，然后在数万甚至数亿年后重新进行速度的测量，你会发现它现在远离你的速度竟然变得更快了（当然，这些天文学家并没有这样做；他们比较的是不同距离上星系的运动速度）。如果这种行为永远持续下去的话——看起来可能性不小——宇宙会持续膨胀下去变得稀薄，直到永恒。

正常来说，我们会预计宇宙的膨胀会随着星系之间的万有引力将星系重新聚拢而减慢。我们观测到的膨胀加速一定源于我们所知的物质以外的某种东西。我们知道有一名非常显眼而可能的嫌疑人：真空能，这是爱因斯坦发明的概念，他把它叫作宇宙学常数。真空能是空间本身固有的一种能量，它的能量密度（每平方厘米中的能量）恒定，不受空间膨胀影响。通过在广义相对论下能量与时空的相互影响，真空能永远不会用完或者减少；它可以一直不停地推动空间。

当然，我们还不能确定真空能会不会一直推动空间；我们只能将现有理论的理解外推到未来。但有可能这种加速膨胀会就这样无休止地继续下去，在某种意义上这是最简单的场景。

这会将我们宇宙导向某种寂寥的未来。在当下，夜空生机勃勃，恒星与星系竞相闪耀。但天下无不散之筵席；恒星会用尽燃料，最终隐于黑暗。天文学家估计，最后一颗黯淡的恒星也会在一百万亿年（1015年）之后熄灭。到时其他星系早已远去，而我们的本地星系群会充斥着行星和恒星残骸，还有黑洞。这些行星和恒星残骸会一个接一个地掉入黑洞，这些黑洞又会合并为一个大质量黑洞。最终，一如史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）所说，即使这些黑洞也会蒸发。在一古戈（googol，也就是10100）年后，所有我们可观测宇宙中的黑洞都会蒸发为一片粒子构成的薄雾，随着空间继续膨胀，这片雾还会越来越稀薄。最后的结果，也就是宇宙未来最可能的场景，就是只剩下冰冷空旷的空间永世长存。

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我们是渺小的，而宇宙是宏大的。在仔细掂量宇宙的尺度之后，很难再认为我们在地球上的出现会在它的目的或者命运中扮演什么重要的角色。

当然，这只是我们所能理解的。从现有的知识来看，宇宙可能无限大，也可能只比我们能观察到的大一点点。我们能观察到的宇宙区域有着均匀的特点，这种均一性可能会无限延伸，也有可能其他区域跟我们会有极端的差异。发表有关宇宙在测量所不能及之处的结论时，我们应该谨言慎行。

宇宙最引人触目的特点之一，就是它空间的均一性与它在时间中戏剧性的变迁之间的对比。我们生活的宇宙似乎在时间上有着强烈的不平衡：从大爆炸到现在大约有140亿年，而从现在到遥远的将来可能需要无限的时间。就我们所知而言，我们可以合理地认为，我们生活在宇宙历史中的一段年轻而活跃的时期——而别的时期大部分都只有寒冷、黑暗和空虚。

为什么会这样呢？也许有一个深层次的解释，也许世事就是如此。现代宇宙学家所能做的，也就是将观察到的宇宙的这些特点当作线索，不断尝试将它们放在更广阔的图景中。在这个征途上有一个至关重要的问题：为什么宇宙中的物质在百亿年间会如此演变，把我们创造出来？