起源，歸宿，多重宇宙以及一切｜內有福利

擡頭仰望星空時，你可能不會想到，我們現在看到的景象，是經過了137億年的演化才變成這個樣子。在這137億年裏，那些點點繁星曾經曆了怎樣的生死輪回？十億、百億，甚至萬億年後，宇宙又會是什麽樣子呢？

宇宙的起源與歸宿

在大約一百多億年前的某個時刻，我們現在能觀測到的所有物質和能量都聚集在一個比硬幣還小的區域裏，隨後，它開始以一種不可思議的速度膨脹並冷卻。當溫度下降到1億倍太陽核心溫度時，自然界的那些基本作用力開始出現，基本粒子誇克則自由地徜徉在能量海洋裏。接著，宇宙又膨脹了1 000倍，我們眼下能觀測到的所有物質占據的空間膨脹到了太陽系那麽大。

那時，自由誇克開始被束縛在中子和質子裏。當宇宙又膨脹1 000倍後，質子與中子開始聚在一起組成原子核，今天的氦原子和氘原子大部分就是那時形成的。以上所有過程都發生在大爆炸後的一分鍾內，此時溫度仍然太高，原子核還不能捕獲電子。

直到宇宙持續膨脹了30萬年後，中性的原子才開始大量出現，這時宇宙尺寸達到了現在的千分之一。此後，中性原子開始凝結成氣體雲，這些雲團隨後演化成恒星。在宇宙膨脹到現在尺寸的五分之一時，恒星聚在一起，形成了年輕的星系。

當宇宙尺度達到現在的一半時，恒星裏的核反應産生了大多數重元素，類似地球的行星就是由這些元素構成的。我們的太陽系相對比較年輕：形成于50億年前，那時宇宙尺度是現在的三分之二。

隨著時間流逝，恒星的形成過程會耗盡星系中的氣體，因此恒星數目正逐漸減少。再過150億年，像太陽這樣的恒星會更稀少，對天空觀測者來說，那時的宇宙將遠不如現在這般熱鬧。

對宇宙起源與演化的認識，是20世紀最偉大的科學成就之一。這些知識來自于數十年不斷革新的實驗與理論。地面上和太空中的最新望遠鏡接收著數十億光年以外的星系發出的光線，向我們展示宇宙年輕時的模樣。粒子加速器探索著早期宇宙高能環境下的基本物理現象。衛星探測著宇宙膨脹早期遺留下來的背景輻射，展現出我們所能觀測到的最大尺度上的宇宙圖景。

標准宇宙模型（也稱大爆炸理論）對這些海量數據的解釋最爲成功。這個理論主張說，宇宙從初期的致密態開始膨脹，膨脹在大尺度上近乎均勻。目前該理論沒有遇到根本性的挑戰，當然，它也存在一些有待解決的問題。比如，天文學家還不能肯定星系是如何形成的，但是也沒有證據能否認該過程是在大爆炸框架內發生的。實際上到目前爲止，從這個理論引申出的各種預言通過了所有的測試。

但是，大爆炸理論目前也只做到這種程度，還有許多重要的謎題有待揭開。宇宙在膨脹之前是什麽樣子的？（我們不能通過天文觀測，回溯到大爆炸之前的時刻。）在遙遠的未來，當最後一顆恒星耗盡了核燃料後會發生什麽？沒有人知道答案。

愛因斯坦創立的廣義相對論確立了質量、能量、空間和時間的關系，現已被很好地驗證並接受。愛因斯坦指出，物質在空間均勻分布與他的理論非常吻合。他未經討論便假定，在大尺度上平均來說宇宙是靜態不變的。

在1922年，俄國理論家亞曆山大·A·弗里德曼（Alexander A. Friedmann）意識到愛因斯坦的宇宙是不穩定的，最輕微的擾動也會引起宇宙膨脹或收縮。同時洛厄爾天文台（Lowell Observatory）的維斯托·M·斯莱弗（Vesto M. Slipher）發現了星系正在相互遠離的首個證據。隨後，傑出的天文學家埃德溫·哈勃在1929年又證明了星系遠離我們的速度與它離我們的距離大致成正比。

宇宙膨脹意味著，宇宙從一團高度致密的物質演化爲今天彼此相距遙遠的星系。英國宇宙學家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）是第一個給上述過程取名“大爆炸”（the big bang）的人，他的本意是想諷刺這個理論，但這個名字實在太生動了，便就此流傳開來。不過這個名字將宇宙膨脹描繪得好像是空間中一點上的某個物質發生了某種爆炸，多少有些誤導人。

其實完全不是那麽回事：在愛因斯坦的宇宙中，空間與物質的分布是緊密聯系的，觀測到的星系系統的膨脹反映的是空間本身的展開。大爆炸理論的要點在于空間的平均密度隨宇宙膨脹下降，而物質分布並沒有可見的邊緣。

對普通爆炸來說，運動得最快的粒子飛向空的空間；而對大爆炸理論來說，粒子則是均勻地充滿空間。宇宙膨脹對被引力束縛的星系或星系團的大小沒什麽影響，只是使它們之間的空間伸展了而已。在這種意義上，宇宙膨脹很像是葡萄幹面包發酵。生面團類似空間，而葡萄幹就像星系團。當面團膨脹時，葡萄幹彼此遠離，任意兩顆葡萄幹相互分離的速度完全取決于它們之間的面團有多少。

60年來，我們已經積累了許多支持宇宙膨脹的證據。第一個重要證據是紅移——星系會發射或吸收某些特定波長的光，如果星系在遠離我們，這些發射或吸收特征線將被拉長，也就是說退行速度越大，特征線就會變得越紅。

在宇宙的年齡只有現在的五分之三時，星系團是宇宙代表性的景觀。哈勃望遠鏡已經在軌道上運行了22年，通過它的持續觀測，我們得到了星系團的影像。有些星系看上去互相處在對方的引力場裏。這樣的相互作用在離我們較近的星系團中相當少見，說明宇宙確實在演化

多重宇宙存在嗎？

多重宇宙，這聽上去像是一個科幻概念，但是深入思考這個問題，會給我們帶來全新的格局和眼界。對宇宙學家而言，研究多重宇宙並不僅僅是爲了猜測平行世界裏某一曆史事件是否有第二種結局，而是爲了展開更爲遼闊的想象，去描繪物理學基礎發生改變之後的神秘圖景，也希望有一天人類可以回答這個千百年來萦繞心頭的問題：宇宙之外，究竟是什麽呢？

過去十年裏，有一個不尋常的聲音讓宇宙學家著迷：我們能看到的這個膨脹著的宇宙不是唯一的，還存在著數十億個別樣的宇宙。不是一個宇宙，而是多重宇宙。

頂級科學家正在談論一場超越哥白尼“日心說”的革命。從這個角度來說，不僅地球只不過是衆多行星中的一員，就連我們的宇宙在大尺度上也無足輕重。它只不過是各自爲營的無數宇宙中的一個。

“多重宇宙”（Multiverse）這個詞具有不同的含義。天文學家可以看到大約 420 億光年遠的地方，那裏是我們目前能看到的最遠地方（即可見視界）。

但我們沒有理由認爲宇宙會在那裏終止。在它之外可能存在許多極爲相似的宇宙（甚至無窮多個），每一個都具有不同的初始物質分布，但都由相同的物理定律操控。

多重宇宙觀點的支持者主要是亞曆山大·维兰金（Alexander Vilenkin）。他描繪了一幅生動的畫面：

在無窮多個宇宙中有無窮多個星系，無窮多顆行星，以及無窮多個和你同名的人在看這篇文章。

在宇宙學家看來，宇宙像一塊“錯綜複雜的挂毯”。這塊挂毯是從大爆炸後最初那一微秒決定的初始條件演化成的。我們觀察到的複雜結構和現象，也都是從簡單的物理定律發展的。如果沒有這些簡單的基本定律，我們也不會存在。然而，簡單的定律並不一定會發展出複雜的結果。比如在數學的分形領域中，就有一個典型的例子：芒德布羅集（Mandelbrot Set），一種由簡單算法編碼的無窮深結構，但其他表面上與之類似的算法卻只能産生非常單調的圖樣。

如果當時我們的宇宙沒有以某種特殊的速率膨脹，它可能不會形成我們現在能看到的複雜結構。如果在宇宙大爆炸時，産生的原初密度擾動比現在更小，我們的宇宙會一直保持黑暗並且單調，不會産生星系，也沒有發光的恒星。除此之外，要形成具有複雜結構的宇宙，還需要其他條件。

如果我們的宇宙不止有三個空間維度，行星就不會圍繞恒星的軌道穩定地運動。如果引力作用更強，可能會壓垮各種生物（包括人類）；同時恒星會更小，壽命也會更短。如果原子核間的作用力比現在小幾個百分點，那麽可能只有氫原子會穩定存在，我們鋪滿整個頁面的元素周期表也會消失不見。沒有豐富的化學元素，也就意味著不會出現生命。從另一個角度來講，如果原子核間的力更強一些，氫原子本身也可能會消失不見。

我們的宇宙調節得是如此精細，如同有某種神秘的力量在操控一樣。一些科學家認爲，這種巧合並不是巧合，因爲如果沒有這種巧合，我們人類也就不會出現。（以上說法就是廣爲人知的人擇原理）。

然而，也存在其他的解釋，宇宙並不是唯一的，在更大的空間尺度上，可能存在著許許多多的宇宙。其中只要所有參數都適宜，就會出現像我們一樣的智慧生命。未來我們或許會發現，我們所處的宇宙，只是諸多宇宙中的一個。因此，從表面上看，我們的宇宙似乎被精細地調節過，但實質上，這可能只是一種一點也不意外的巧合。或許，連我們宇宙的大爆炸也不是唯一的。這種猜測以戲劇性的方式擴大了我們眼中的現實這個概念。

我們宇宙的整段曆史不過是一出大戲上的一段插曲，屬于無窮多宇宙中的其中一個。在無窮多的宇宙中，有些宇宙可能與我們相似，但更多的宇宙可能會面臨“一出生便夭折”的命運。它們將會在短暫的出現後迅速塌縮，或者統禦那個宇宙的基本定律並不允許産生複雜的“結果”。

一些宇宙學家，比如斯坦福大學的安德烈·林德与塔夫茨大学的亚历山大·维连金已经向人们展示了如何根据某些数学上的假设，在理论上导出多重宇宙。但是，在我们真正理解——而不是猜测——大爆炸之初极端状态下的物理定律之前，多宇宙理论依然处于可疑的边缘地带。

我們一直期待的統一理論會出現嗎？它能決定各種基本粒子的質量和各種基本力的強度嗎？或者從某種程度上來說，不同物理性質只是我們的宇宙在冷卻時産生的意外結果？又或者說，如果多重宇宙真實存在，是不是存在更深層次的統禦所有宇宙的定律？

這些話題可能顯得有些神秘，但是，在有關宇宙學的爭論中，多重宇宙思想已經影響到我們對各方觀點的看法了。一些理論學家傾向于認爲宇宙是極致簡單的，這需要 Ω 等于 1（這意味著宇宙擁有剛好使其自身膨脹停止的物質密度）。

他們對實際觀察到的宇宙感到不開心，因爲宇宙沒有那麽致密，需要添加額外的複雜性（如宇宙學常數）。或許我們可以從 17 世紀天文學家開普勒與伽利略的故事中學到一些東西。在發現行星的軌道是橢圓形時，他們也感到難過，因爲他們原本認爲行星的軌道應當是更簡單、更美麗的圓形。之後，牛頓卻用簡潔的萬有引力公式，成功解釋了各種類型的行星軌道。

如果伽利略在世的話，他一定會欣然接受橢圓軌道的。同樣，假如包含宇宙學常數的低密度宇宙看起來很醜陋，這或許是因爲我們的視野有限。就好像地球圍繞太陽運行的軌道只是少數具有孕育生命條件的軌道之一。而我們的宇宙也很可能只是數目巨大的宇宙集合中，少數可以孕育生命的成員之一。

未來，科研人員會專注于敲定宇宙學中各個基本常數的值，比如密度常量 Ω 等，同時也會深入研究暗物質究竟是什麽。也許宇宙的一切都能納入標准理論的框架，我們不僅能敲定宇宙中普通原子與暗物質的含量，還能敲定宇宙學常數與宇宙原初密度擾動。如果這些都能在未來實現，我們就會像曆史上的科學家逐漸認識太陽與地球的尺寸和形狀一樣，逐步認識我們所處的宇宙。

從另一個角度來講，我們宇宙也可能實際上太過複雜，以致不能納入現有標准理論的框架。有的科學家可能會認爲前一種可能性更爲理想；而另一些科學家則更願意居住在一個複雜且極具挑戰性的宇宙中。

不僅如此，理論物理學家還需要闡明宇宙最初階段的極端物理定律。如果能夠成功，我們就能知道是否存在多重宇宙，以及我們所處的宇宙表現出的某些獨有屬性究竟是純粹的巧合，還是更深層次定律的必然結果。

現在，我們的認識仍然存在很多局限，不過，物理學家也許有朝一日會發現一個支配自然界一切事物的統一理論，但他們可能永遠無法告訴我們，究竟是什麽創造了這些理論，又是什麽讓這些理論具現化爲現實宇宙的。

宇宙學不僅僅是基礎科學，它同時也是最宏大的環境科學。在過去的 100 億 ~150 億年間，一團熾熱的火球，是如何演化成現在這個具有星系、恒星與行星的複雜宇宙的？我們所居住的地球（或許還有其他行星），是如何把原子組裝成能夠反思自身起源的智慧生命的？這些問題是新千年的挑戰，回答這些問題的過程，或許永無止境。

我們的征途是星辰大海

當人類第一次把目光投向天空時，就想知道在浩瀚無垠的天空中，那些閃閃發光的星星是怎樣産生的。

這是一個讓人興奮的時代，我們有更多的機會去了解我們身處的宇宙從哪裏來，到哪裏去。宇宙是如何開始的？是大爆炸嗎？如果宇宙大爆炸不曾發生會怎麽樣？宇宙有邊界嗎？盡頭在哪裏？生命的最終結局會是什麽？

從《星際迷航2009》到《回到未來2》再到《複仇者聯盟4》，這些科幻電影中匪夷所思又令人著迷的宇宙觀是否真的存在？愛因斯坦在量子力學時代不相信不確定性原理，他說：“上帝不擲骰子”。玻爾告訴他：“你不能告訴上帝應該怎麽做”。霍金說：“上帝不僅擲骰子,他有時候還會把骰子擲到我們看不到的地方去。” 宇宙也許是有無限可能性的，我們的宇宙說不定只是所有可能中的一個。那麽，宇宙之外會是什麽？

*上文對宇宙的一切嚴謹權威的解釋均來自機械工業出版社出版的由環球科學雜志社榮譽出品的重磅科普新書。