卡塔爾·奧康奈爾+晨飛

在天體物理學(xué)中，沒(méi)有比空間有多大這個(gè)問(wèn)題更大的實(shí)證問(wèn)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(méi)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(wú)比大，大得令人難以置信。我的意思是說(shuō)，你可能認(rèn)為道路漫長(zhǎng)，最終在化學(xué)家那里落腳，但這只是滄海之一粟?！?/p>

從某種意義上說(shuō)，宇宙的邊緣很容易標(biāo)記出來(lái)：即一束光從時(shí)間的開(kāi)始可能飛越的距離，除此之外我們無(wú)法觀測(cè)。也就是說(shuō)，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(kāi)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(ài)丁堡大學(xué)天文學(xué)家安德魯·利德?tīng)栒f(shuō)：“由于沒(méi)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(wú)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(wú)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(wú)限的世界的真實(shí)程度呢？透過(guò)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(guó)理工學(xué)院的天體物理學(xué)家羅伯特·特羅塔說(shuō)：“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(kāi)放的（像一個(gè)馬鞍）或平坦的（像一張桌子）?！?/p>

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(wú)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(wàn)年后的等離子火球散發(fā)出來(lái)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(lái)計(jì)算我們星球的大?。煌?，天文學(xué)家正在利用我們宇宙視野的曲度來(lái)估量宇宙的大小。

關(guān)鍵是利用衛(wèi)星來(lái)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(lái)計(jì)算其幾何。特羅塔說(shuō)：“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。”

自20世紀(jì)80年代末以來(lái)，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(lái)越精細(xì)。最新的圖像發(fā)布于2013年3月，數(shù)據(jù)來(lái)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(wú)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(shuō)：“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(wú)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(wú)限的，但少數(shù)充滿激情的人拒不接受這種觀點(diǎn)。

英國(guó)偉大的物理學(xué)家保羅·迪拉克說(shuō)，物理學(xué)界最重要的挑戰(zhàn)是擺脫無(wú)窮無(wú)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(lái)的》中指出：“自然界沒(méi)有觀察到無(wú)窮無(wú)盡；科學(xué)理論中也無(wú)法容忍無(wú)窮無(wú)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(wú)限的呢？這個(gè)想法可以追溯到物理學(xué)的奠基人。比如說(shuō)，牛頓推論，基于他的引力定律，宇宙肯定是無(wú)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(wú)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(ài)因斯坦同樣設(shè)想了一個(gè)永恒無(wú)限的宇宙。他最宏大的宇宙論——廣義相對(duì)論——在無(wú)限的時(shí)空中展現(xiàn)出來(lái)。

從數(shù)學(xué)上來(lái)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(wú)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(shuō)《巴別塔圖書館》中設(shè)想了一個(gè)無(wú)限的圖書館，里面收藏著所有剛好410頁(yè)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(yǔ)以及前矛后盾?！币?yàn)樽帜傅慕M合有這么多的可能性，可能寫出來(lái)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(wú)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(wú)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(wú)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。可是萊文還是不接受：“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(wú)限的?！?

萊文是從新的角度來(lái)看待廣義相對(duì)論的首批理論家之一。她沒(méi)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(kāi)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?lái)說(shuō)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(shuō)：“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?lái)說(shuō)，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(lái)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(shuō)明問(wèn)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(méi)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(wú)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(guò)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(shuō)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(tīng)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(shuō)作者想出來(lái)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(guò)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(wú)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(lái)。

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(guó)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(méi)有這些屬性?！迸c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(wú)數(shù)看不見(jiàn)的宇宙來(lái)解釋我們看到的不尋常特征，就跟援引一個(gè)看不見(jiàn)的造物主一樣特別?！?/p>

但是，從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，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(shuō)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(lái)越不雅：要么是許多世界，要么是許多詞語(yǔ)?！?/p>

為了解決這個(gè)問(wèn)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(guò)它“聽(tīng)到”大爆炸本身的震動(dòng)。

不論無(wú)限還是有限，也不論單一還是無(wú)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(yíng)這個(gè)宇宙的整體多維無(wú)限。”