我们能看到的一切在哪里终结——纯粹的推测又从何处开始?一段通往宇宙学知识最外边缘的旅程:从可观测视界,直到物理学本身也无法回答的问题。
「宇宙有多大?」听起来像是一个简单的问题——但其实不然,因为它实际上可以指两种不同的东西。可观测宇宙是我们周围的一个球体,自大爆炸以来,光有足够的时间到达我们这里。它的边界不是一堵物理的墙,而是一个时间上的界限:凡是更远的地方,虽然大概率确实存在,但它们的光尚未抵达我们。整个宇宙则可能远远大于这个可见的范围——甚至是无限的。观测无法直接证明这一点,因为我们原则上只能测量光能够到达我们的那部分。
这种双重含义正是「宇宙的边缘」在科普讲述中常常引起混淆的原因。极大概率并不存在类似边缘或墙壁那样的界限——无论是对可观测宇宙而言(它只是标记了我们的观测极限),还是对整个宇宙而言(无论有限还是无限,它似乎根本不需要边界)。
任何关于我们观测视界之外宇宙的论断,都依赖一个无法被直接证明的假设:宇宙学原理。它认为,宇宙在大尺度上处处近似相同(均匀性),且各个方向没有差别(各向同性)——也就是说,地球并不占据任何特殊的观测位置。迄今为止,可观测范围内的所有测量都支持这一假设,但它们无法给出保证:因为我们天然只能看到宇宙的一个片段。
从我们的太阳系到可观测宇宙的边界,跨越了超过25个数量级的距离。图中每一层外壳都代表着更高一级的宇宙结构——而在最外层,则标出了三个在宇宙学中常被当作同义词使用、实则并不相同的概念之间细微却关键的区别。
值得注意的是:事件视界位于可观测宇宙内部,而非其外部。可观测宇宙汇集了整个过去发出的光,因而体量庞大;事件视界描述的则是我们未来还能够影响或看到多远的范围——由于暗能量正在加速膨胀,这个范围相对而言正在收缩。如今仍然可见的星系,终将随着时间的推移消失在这条视界之后。
单凭经典大爆炸模型无法解释两个观测事实:为什么宇宙微波背景辐射在各个方向上的温度几乎完全相同,尽管相距遥远的区域根本没有足够的时间达成热平衡(视界问题)?又为什么宇宙的几何形状如此接近完美平坦,尽管任何微小的偏差本该在数十亿年间被指数级放大(平坦性问题)?1980/81年,物理学家阿兰·古斯提出了一个解决方案:在大爆炸之后立即出现了一段极速膨胀的阶段。
暴胀理论最初只是为解决两个问题而提出的权宜之计——但如今它也成功预言了宇宙微波背景辐射中已被独立证实的细节,例如其微小温度涨落的精确统计规律。这使得暴胀远不只是一种修补方案:它是早期宇宙学中经过检验最充分的理论之一,即便暴胀场的确切本质仍然未知。
广义相对论允许空间存在三种基本几何形态,取决于密度参数Ω:封闭且呈球形(Ω>1)、开放且呈双曲形(Ω<1),或恰好平坦(Ω=1)。欧空局的普朗克卫星于2018年测量了宇宙微波背景辐射中的微小温度涨落——这些涨落的尺寸分布,对光在138亿年旅程中所经历的空间曲率极为敏感。
结果是:曲率参数 Ω_K 为 0.0007 ± 0.0037(95% 置信区间)——在统计意义上与零没有区别。因此,在当前的测量精度范围内,可观测宇宙是平坦的。这并不排除存在一种极其微弱的曲率,其对应的曲率半径可能远大于可观测宇宙本身——如果暴胀(第03章)几乎、但并非完全彻底地拉平了最初的曲率,这正是人们所预期的结果。
以下所有观点都有其数学上的合理动机,也受到严肃物理学家的讨论——但迄今为止,它们没有一个能对我们自身的可观测宇宙做出可检验、可证伪的预言。这正是它们的根本问题所在:如果按定义,另一个宇宙永远无法被观测到,那么任何观测都无法证伪这一假说——而按照卡尔·波普尔的标准,可证伪性恰恰是判断一个理论是否属于自然科学的核心标准。因此,许多物理学家将平行宇宙模型视为既有理论中具有推测性、却仍值得探讨的推论——而非已被证实的物理学。
物理学家乔治·埃利斯等人认为,只要平行宇宙假说无法对我们的宇宙给出可检验的推论,它们就已经越过了通往形而上学的边界。支持者则反驳道:接受一个本身已经过充分检验的理论(如暴胀)所带来的不可观测的推论,在方法论上并非什么特殊之举——在其他物理学的外推中人们同样这样做。这场争论至今尚未有定论。
宇宙将如何终结,关键取决于暗能量在宇宙学时间尺度上的行为——这一主题在前一个关于暗物质与暗能量的专题页面中有更详细的讨论。这里只列出四种讨论最多的未来情景,按照目前的可能性排序。
1998年,人们惊讶地发现宇宙的膨胀正在加速,而不是像所有物质的引力所预期的那样在减速。两个独立的研究团队测量了绝对光度已知的Ia型超新星,发现距离遥远的样本比一个匀速减速的宇宙所允许的更暗——也就是说,它们比减速模型所预言的更远。这一发现于2011年获得诺贝尔物理学奖。它至今仍是暗能量存在的核心实证支撑,也是大冻结情景被视为当前主流未来预期的关键依据。
三个思考,展示了宇宙学思维与日常直觉之间有多么不同。
并不是因为我们在空间中移动——而仅仅是因为时间在流逝。大爆炸发生的时间越久远,来自越遥远区域的光就有越多的时间到达我们这里。每过去一秒,字面意义上就会有更远处的新光线抵达我们,可观测的球体也随之增长——这与地球自身是否移动、移动得多快毫无关系。
在许多物理学家看来,这个问题本身或许就提得没有意义——并不是因为答案未知,而是因为「之前」是一个时间概念,而按照主流模型,时间本身正是从大爆炸才开始存在的。追问大爆炸之前发生了什么,就如同追问北极再往北是什么地方一样,属于一种范畴错误。哈特尔与霍金的「无边界假说」等模型正试图用数学方式描述这一点:时间是「圆滑地收拢」,而不是在某一点上突然开始。但这些模型都尚未得到证实。
可观测宇宙的半径大约为10²⁶米,而普朗克长度(1.6 × 10⁻³⁵米)则被认为是物理上有意义的最小距离——在这一尺度之下,我们对平滑空间的直觉将不再适用,因为引力的量子效应会占据主导。在已知的最小与最大尺度之间,因此相差约61个数量级——这样的跨度,人类的想象力只能以数字来把握,而无法再化为具体的画面。