宇宙有多大?

2018-02-08 19:12卡塔尔·奥康奈尔晨飞
飞碟探索 2018年1期
关键词:曲率莱文物理学家

卡塔尔·奥康奈尔+晨飞

在天体物理学中,没有比空间有多大这个问题更大的实证问题了。下文简述的就是有关宇宙的大小和形状的观念史。

空间大得令人难以置信;但是也没什么好担心的。

道格拉斯·亚当斯在《银河系旅行指南》中这样描述:“空间巨大、超大、无比大,大得令人难以置信。我的意思是说,你可能认为道路漫长,最终在化学家那里落脚,但这只是沧海之一粟。”

从某种意义上说,宇宙的边缘很容易标记出来:即一束光从时间的开始可能飞越的距离,除此之外我们无法观测。也就是说,超出了所谓的“可观测宇宙”。你会猜测,从宇宙中心到边缘的距离就是宇宙的年龄(138亿年)乘以光速:138亿光年。

可是,空间一直在延伸,正如机场的自动人行道让大步流星的乘客的前行速度更快一样,空间的移动通道也加速了光的飞越。结果发现,自时间开始的138亿年里,我们的可观测距离达到了463亿光年;如果我们看到的这束光的起点是宇宙大爆炸的奇点,那可观测宇宙的直径就是926亿光年。

爱丁堡大学天文学家安德鲁·利德尔说:“由于没有比光速更快的东西,所以原则上任何事情都可能发生在可观测宇宙之外。宇宙可能会终结,但是我们无法知道。”

但是我们有充分的理由怀疑整个宇宙(区别于可观测宇宙)比我们所能观察到的部分要遥远得多,而且有可能无限遠。那么,我们怎么能知道它们是在可观测宇宙之外呢?

想象一下在鱼缸里游动的细菌。它怎么才能知道看似无限的世界的真实程度呢?透过玻璃曲面的光线形成的扭曲可能会提供一条线索。同样,宇宙的曲率也告诉了我们它的最终尺寸。

帝国理工学院的天体物理学家罗伯特·特罗塔说:“宇宙的几何形状可以有三种不同的类型。它可以是封闭的(像一个球体),开放的(像一个马鞍)或平坦的(像一张桌子)。”

封闭的几何意味着宇宙是有限的,而另外两个在理论上就意味着宇宙是无限的。

测量宇宙曲率的关键是宇宙微波背景辐射(CMB),即宇宙大爆炸40万年后的等离子火球散发出来的光线。这是我们的宇宙年轻时的快照。

古代的地理学家曾经利用地球地平线的曲度来计算我们星球的大小;同理,天文学家正在利用我们宇宙视野的曲度来估量宇宙的大小。

关键是利用卫星来测量宇宙微波背景不同特征的温度。这些特征在宇宙微波背景上造成的扭曲被用来计算其几何。特罗塔说:“因此,确定宇宙的大小和几何可以帮助我们确定整个宇宙刚刚诞生时发生的事情。”

自20世纪80年代末以来,三代卫星已经绘制了宇宙微波背景图,分辨率不断提高,对宇宙曲率的评估越来越精细。最新的图像发布于2013年3月,数据来自欧洲航天局的普朗克望远镜,其估计的曲率完全平坦,测量精度至少在±0.4%之内。

宇宙的极端平坦性支持宇宙膨胀理论。这个理论认为,宇宙诞生之后10 -36秒,宇宙膨胀得像一个气球,在扩张和平伸其表面特征时膨胀了许多个数量级。

虽然±0.4%的误差意味着我们不能确定,但完美的平坦度很可能意味着宇宙是无限的。宇宙仍然有可能是有限的,但非常大。特罗塔和他的同事使用普朗克数据研究出现实宇宙的最小尺寸至少是可观测宇宙的250倍。

下一代望远镜应该能够改进普朗克望远镜的数据,是否会给出宇宙大小的明确答案还有待观察。位于智利的微波望远镜新CLASS阵列项目的负责人查尔斯·本奈特说:“我仍然会把宇宙想象为几乎非常平坦的,但还不是很有信心。”

事实证明,由于背景噪声,无论望远镜功能有多么强大,精确地测量宇宙曲率仍然很难。2016年7月,牛津大学的物理学家发现我们恐怕不能测量低于大约0.01%的曲率,所以我们还有一段路要走。尽管目前已经有了不错的测量结果,很多物理学家都认为宇宙可能是无限的,但少数充满激情的人拒不接受这种观点。

英国伟大的物理学家保罗·迪拉克说,物理学界最重要的挑战是摆脱无穷无尽这个概念。哥伦比亚大学天体物理学家扬娜·莱文在其2001年的回忆录《宇宙中的星星点点是怎么来的》中指出:“自然界没有观察到无穷无尽;科学理论中也无法容忍无穷无尽。”

那么,物理学家为什么总是认为宇宙本身可能是无限的呢?这个想法可以追溯到物理学的奠基人。比如说,牛顿推论,基于他的引力定律,宇宙肯定是无限的。根据这个定律,宇宙中的一切都有吸引作用。但如果是这样的话,宇宙最终将被拉向一个点,就像一颗恒星由于自身的引力而最终坍塌一样。这与他坚信宇宙一直存在的观点不一致。所以,他认为,唯一的解释是无限性,即所有方向上的同等拉力将保持宇宙静止并永恒。

250年后的20世纪初,阿尔伯特·爱因斯坦同样设想了一个永恒无限的宇宙。他最宏大的宇宙论——广义相对论——在无限的时空中展现出来。

从数学上来讲,提出一个永远持续的宇宙比处理边缘要容易得多。然而,无限是不真实的,是夸张的,很荒谬。

阿根廷作家豪尔赫·路易斯·博尔赫斯在他的短篇小说《巴别塔图书馆》中设想了一个无限的图书馆,里面收藏着所有刚好410页的图书:“每一行直言不讳、合乎情理的话,总是有一团团不合情理、不和谐、杂乱的词语以及前矛后盾。”因为字母的组合有这么多的可能性,可能写出来的书数量有限,所以图书馆本身注定会不断重复。

一个无限的宇宙得出类似的结论。因为原子在空间的排列方式实在太多,即使在直径930亿光年的空间中,无限的宇宙也要求必须有与我们所有方面完全相同的另一个巨大的空间区域。这意味着存在另一个银河系,另一个地球,另一个版本的你和另一个版本的我。

麻省理工学院物理学家马克斯·泰格马克已经运行了这个数字。他估计,在一个无限的宇宙中,与我们相同的宇宙片区出现的频率可能是每10 10115米(一个非常庞大的数字,1后面0的个数比可观测宇宙中的原子数还要多)一次。所以,别担心逛商店时会碰到另一个你。可是莱文还是不接受:“是由于傲慢或逻辑使我相信这是错误的吗?只有一个我,也只有一个你;宇宙不能是无限的。”

莱文是从新的角度来看待广义相对论的首批理论家之一。她没有考虑描述空间形状的几何图形,而是考虑了它的拓扑结构:连接的方式。她认为,所有关于平坦的、封闭的或开放的宇宙的假设只适用于巨大的球形宇宙,其他形状从拓扑角度来说可能呈扁平状,并且仍然是有限的。

斯蒂芬·霍金在《辛普森一家》1999年的一集中说:“你对甜甜圈形宇宙的想法是有趣的,我可能得盗用这个主意。”实际上,这个节目的作者已经盗用了莱文的想法,莱文于1998年刚发表了她对甜甜圈形宇宙的分析。

她指出,从拓扑角度来说,环状实际上是零曲率,因为内部的负曲率与外部的正曲率相平衡。因此,在宇宙微波背景测量的(近)零曲率与一个平坦的表面一样,与这个甜甜圈一致。

莱文意识到,在这样一个宇宙里,你要乘坐太空船才可能穿越宇宙,回到自己的起点。这个想法对目前在蒙大拿州立大学工作的澳大利亚物理学家尼尔·考尼什是个启发,去思考来自宇宙微波背景的最古老的光如何环绕宇宙。如果这个环状宇宙低于阈值,那就会形成一个能够说明问题的迹象,考尼什称其为“空中的圈”。可惜,2001年宇宙微波背景辐射的数据从威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)返回时,并没有发现这样的痕迹。这并不完全排除甜甜圈理论,但确实意味着如果宇宙是个甜甜圈,那就是一个超级巨大的圈。

试图直接证明或反驳宇宙无限性的做法似乎将我们引入了一条死胡同,至少在现有技术条件下是这样。但考尼什认为,我们可以通过推理做到这一点。膨胀理论在解释我们宇宙的主要特征方面很有说服力,膨胀的多个分支之一就是多元宇宙理论。

这种理论,当你第一次听到的时候,似乎是一个喜欢发挥扩展思路的科幻小说作者想出来的,实际上,它是由有影响力的斯坦福大学物理学家安德烈·林德于20世纪80年代首次提出的。林德与麻省理工学院的艾伦·古思和俄罗斯朗道理论物理研究所的阿列克谢·斯塔罗宾斯基都是膨胀理论的设计师。

古思和斯塔罗宾斯基认为,大爆炸之后的第一个极其短暂的分裂时期就已经出现了膨胀;林德认为这种膨胀一直在继续,而且新的宇宙如同姜的根一样永远不断地发芽。

自此之后,林德表明“永恒的膨胀”可能是任何膨胀模式不可避免的一个组成部分。这种永恒的膨胀或多元宇宙模式对林德很有吸引力,因为它解决了所有最大的奥秘:为什么物理定律看上去经过了微调以便允许我们存在。

引力的强度足以让稳定的恒星形成并燃烧,电磁力和核力正是原子形成、复合体分子发展和我们诞生所需的力量。

在每个新生的宇宙中,这些常数都是随机分配的。 在有些这样的宇宙中,引力可能非常强大,大到了大爆炸之后立刻崩塌;在其他宇宙中,引力却非常弱,弱到氢原子永远不会凝结成恒星或星系。随着无数新宇宙的萌生和灭绝,偶然会跳出一个适合生命演化的宇宙来。

多元宇宙理论有其批评者, 特别是膨胀理论的创始人之一保罗·斯坦哈特,他于2014年告诉《科学美国人》:“科学思想应该简单,具有解释性和预测性。目前我们理解的膨胀多元宇宙似乎没有这些属性。”与此同时,亚利桑那大学的保罗·戴维斯在《纽约时报》上写道:“援引无数看不见的宇宙来解释我们看到的不寻常特征,就跟援引一个看不见的造物主一样特别。”

但是,从另一个角度来说,多元宇宙在两种膨胀模型中比较简单。正如查尔斯·达尔文的自然选择理论解释了物种的起源,用几个方程式或者仅仅几句话,多元宇宙论给了我们解释我們宇宙起源的机制。正如马克斯·泰格马克说的那样:“我们发现,我们的判断归根结底是更加浪费且越来越不雅:要么是许多世界,要么是许多词语。”

为了解决这个问题,我们需要更多地了解宇宙第一个短瞬间发生了什么。也许引力波将给出答案,通过它“听到”大爆炸本身的震动。

不论无限还是有限,也不论单一还是无数之一,宇宙肯定是一个令人费解的地方。它带我们回到《银河系漫游指南》:“如果有什么真正的事实,那就是有一伙疯子在经营这个宇宙的整体多维无限。”

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