当一个人还是小孩子,第一次开始好奇这个世界时,大概问出过最深刻的问题就是:这一切究竟是什么?地球是什么,地球之外又是什么?再往细处追问,便是——它为什么会变成现在这个样子?宇宙从何而来?地球从何而来?人类又是从何而来?
在漫长的岁月里,这类问题一直属于诗歌、哲学与神学的领域。
直到20世纪,一切开始改变——人类突然可以直接向宇宙本身提问。于是,"整个宇宙从哪里来"不再是诗人、神学家和哲学家的专利,而成了科学家的课题。
令人震撼的是,答案在许多方面甚至超出了最大胆的想象。
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关于宇宙起源,大多数人都听过"大爆炸"这个说法。而人类最初得到这个想法时,并不是在寻找宇宙的开端,而是在观察那些透过望远镜看到的、形似小旋涡的模糊天体。
但他意识到,新星不可能在短短一两天内重复出现——它们重新爆发需要数年、数十年、数百年甚至更久。那么如果不是新星,又会是什么?
哈勃想到,这应该是一种"变星"。
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哈勃正是用这种方法,第一次宣布:仙女座里的那团星云不可能在银河系之内,它既不是几光年,也不是几百光年,而是大约一百万光年之外的天体。
今天我们已知它约为250万光年,是一个"河外星系"。
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1929年,哈勃把斯里弗的红移数据与自己测得的距离拼在一起,第一次给出了一个足以改写宇宙观的结论:那些距离我们遥远的星系,正在远离我们;而且距离越远,远离的速度越快。整个宇宙并不是静止的,它在膨胀。
顺着这条线索往回倒推,就会得到一个必然的推论——如果今天的宇宙在变大,那么昨天的宇宙更小,前天更小,一直往前推,必然会抵达一个高温、高密、几乎挤成一个点的状态。这就是大爆炸理论最初的样子,也正是今天"宇宙年龄约138亿年"这个数字的来源。
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然而真正耐人寻味的,并不是这138亿年本身,而是它的"边界"性质。可以打个比方:如果有人问"中国的北边是什么?",答案是蒙古或俄罗斯;但如果问"地球的北边是什么?",这个问题就失效了——地球表面是一个闭合球体,北极点之外再无"北"可言。
时间很可能也是如此。按照大爆炸理论,宇宙的膨胀不仅是空间的扩张,更是时间本身的诞生。
追问"139亿年前",有可能就像追问"北极再往北",是在使用一个在那种条件下已经失去意义的方向词。
但科学并没有止步于此,在20世纪下半叶,物理学家们意识到,"奇点大爆炸"这幅图景虽然优雅,却藏着几个棘手的毛病:宇宙为什么在相隔遥远的两端温度几乎完全一致?空间为什么如此接近平直?为什么找不到大统一理论预言的磁单极子?单凭奇点无法回答。
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于是出现了"暴胀"理论——在真正意义上的"热大爆炸"之前,宇宙经历过一段指数级膨胀的阶段,那时空间几乎是空的,只被一种属于空间本身的能量所充满。
暴胀理论最漂亮的地方,是它不只是一张解释图,还给出了可以被观测检验的预言。它预言宇宙存在一个最高温度,而不是任意高到无穷;它预言在那段指数膨胀结束、能量从"高原"沿着"山谷"转化为物质和辐射时,最小尺度上的涨落被拉伸的程度稍小于较大尺度。
因此暴胀预言:宇宙中的涨落在所有尺度上几乎完全均匀,但小尺度上略小——这被称为"近乎尺度不变谱"。
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第三个预言是:如果暴胀持续了足够长的时间,它不会只把量子涨落拉伸到可观测宇宙的最大尺度,而会不断把它们拉伸到更大的尺度,包括超出可见宇宙范围的"超视界涨落"。这些涨落应该也会印在大爆炸的余辉中;而没有暴胀的宇宙则不会出现这样的特征。
这就有了三个可观测检验。把这些预言与"无暴胀的奇点大爆炸"相对照,结果非常漂亮:宇宙确实存在一个最高温度,而且这个温度非常高。这是巨大的能量,但大约只有普朗克能量的千分之一,并非任意高。
涨落谱确实几乎尺度不变,而最大宇宙尺度上的涨落比小尺度上的大约大 3%,与暴胀的预言一致。
超视界涨落的证据也被观测到,所有这些结果都与暴胀相符,而与单一的奇点大爆炸不符。
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到目前为止,暴胀通过了 100% 的检验。接下来人们想知道的是:那种"高原+山谷"的势能形状,是否就是暴胀的正确模型?是否存在替代方案?今天有两条前沿正在推进这些问题。
一是空间曲率的测量,目前只测到大约 1% 的精度,宇宙在该精度下是空间平直的;如果精度能提升几个数量级,就能检验宇宙的平直程度是否与暴胀预言一致。二是暴胀应当在宇宙中留下引力波涨落,南极正有专门的实验在寻找这一信号。
对这一信号测量得越精确,人类就越有可能了解宇宙起源——那段紧接着热大爆炸之前的最初时刻——究竟具有怎样的性质。
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139亿年前的宇宙究竟是什么样子?按照现在最可靠的图景,那时并不存在后来意义上的"物质"与"辐射",甚至很可能也不存在人们日常理解的那种"时间之箭"。
真正存在的,是一片近乎空无、却被空间自身能量填满的区域,正在以指数级的速度把自己撕扯向外。138亿年这个数字,描述的不是"宇宙的生日蛋糕上点了多少根蜡烛",而是从暴胀结束、热大爆炸启动的那一刻起,到今天为止所经过的时间。
自远古以来,地球上从未有任何一种生物真正理解过人类在宇宙中的位置、从何而来、又如何走到今天。这些认识都是全新的,许多甚至是在这一代人的有生之年才被确立的。
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现在人们知道,宇宙并非始于一个大爆炸奇点,而是始于一种迅速而不停歇的暴胀状态——那时空间是空的,只被空间本身所固有的能量所充满。
暴胀的终结催生了随后 138 亿年里形成的所有结构:恒星、星系、行星,以及人类自己。
至此,宇宙的起源已经被追溯到了那一刻。可是暴胀具体是怎样的、它是如何或者是否有一个开端、以及在它之前又存在什么,这些重大问题仍是等待破解的谜。
或许真正的答案并不是"139亿年前有什么",而是——在那个节点之外,连"之前"这个词本身,都还没有被这个宇宙发明出来。
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