1.从一颗散发着微光的尘埃到整个星系
1027米,1026米,1025米,1024米,1023米
从大约930亿光年到1 000万光年
从宇宙视界的直径到星系群的大小
这是一个夏日的早上。你坐在一间铺满阳光的屋子里,手中拿着书,一页页地翻看着,正准备开启一段穿越宇宙的旅程。
抬头看时,你注意到,透过窗户照进来的光束中满是细小的、散发着微光的尘埃。这些明亮的尘埃在气流中上下翻飞,像是一群奇特的生物。这些尘埃是非常微小的,但如果把整个房间看作宇宙,那么每一粒尘埃就相当于宇宙中的一个完整星系。
现在,让我们追随其中一个小颗粒。这就是我们的星系——银河系。它是2 000多亿颗恒星的家园,而银河系中行星的数量至少也有这么多。这些恒星和行星分布在一种宽达10万光年(超过90万兆千米)的结构上。如果按人类的步行速度计算,你需要20万亿年的时间来横跨这一天体。
深藏在这亿万个天体之间的一颗特殊的行星,被我们称为地球。这颗星球是一颗小小的岩石星球,有一层薄薄的结晶层覆盖在炽热的内核之上,结晶层上方是水和大气。地球围绕着一颗单独的恒星旋转,我们把这颗恒星叫作太阳。身处于100亿岁的星系中,太阳自身却只有45亿岁。
现在回顾一下你生命中了解和经历过的一切:你的家人、朋友、狗、猫、小老鼠、马、房子、沙发、床、比萨、苹果、橘子、树、花、昆虫、灰尘、云、水、雪、雨水、泥巴、阳光……还有满天繁星的夜晚。
再来想一想所有那些曾经活过的人(生物学上的现代人类,总数大约为1 100亿)以及他们在自己的一生中认识的人。所有这些人,数以亿计的人,用几个世纪、几十年、几年、几个月、几天、几小时、几秒甚至一眨眼的时间,感受着他们周围的环境。
对人类来说,有很多特殊的时刻存在。但在35亿年前、人类出现之前,地球上的生物已变得丰富起来:从细菌和古细菌到多细胞集群,从三叶虫到昆虫,从恐龙到头足纲,亿亿万万的生命实体蜿蜒分布在每一个你能想到的生态位上,通过改变化学能电位和概率而成为现实存在。
在那漫长岁月中的每一个时刻,每个生物都被自然选择改造着、筛选着,并被永不停歇的分子力学推动着前行。
所有这一切,以及其中每个微小的部分,都存在于这个世界上,存在于无数矿物点中的一个难以察觉的小矿物点中,存在于充满阳光的房间里你所看到的飘浮在空中的一粒小小尘埃上。这就是我们所知的宇宙。
这个小小的、被我们称为银河的尘埃星系,只是一片满是涟漪的网状物质大海中的很小一部分。这片海洋中有超过2 000亿个其他星系,它们有大有小,有些是独立的,有些处于混乱的碰撞中。所有这些,不过是距离我们130亿光年之内的星系,它们处于我们的“视界”之内,这个“视界”即光的行进范围,就如同你房间内可供行走的范围。
宇宙扩张也充斥着电磁辐射,这种能量既能以波的形式存在,也能以粒子的形式运行。这两种形式结合在一起构成的无质量单元被称为光子,它们在宇宙空间中快速地穿梭。某些光子来自早期的一些炙热之地,我们将这些地方统称为宇宙;其他光子则来自一些特殊的、独立的地方:恒星、超新星、温热发光的年轻行星、宇宙碰撞和冲击波,甚至可能是(或者不是)技术文明之间的信息传递。
把我们宇宙视界中的所有可见物质,比如质子、中子、电子以及其他亚原子物质加起来,粒子数目的总和大约是1080。虽然这已经是一个非常巨大的数字了,但这些物质真的只是沧海一粟,因为仅是在我们身边穿梭的光子,数量就达到了这个数字的10亿多倍。在可观测的宇宙中,这些携带电磁能量的粒子总数大约是100 000 000 000 000 000000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000000 000 000 000 000 000 000 000 000。
然而,这些我们自认为囊括了空间中所有物质的原子和亚原子只不过是其中的16%而已。这只是我们的眼睛和设备能够看到的部分。天文学的证据表明,尚未显露真身的亚原子构成了一个不可见的暗宇宙,占据了宇宙物质总量的84%。这是充满暗物质的地下世界,它用自身的引力统治了全部星系,却不为我们所见。
更奇特的是,所有这些可见物质和暗物质都在一个充满微观量子现象的时空结构中涌动。这些缥缈的量子现象实在是太渺小、太短暂,也太奇特了,除了不断积累而又骇人听闻的暗能量效果外,它们甚至很难被我们注意到。天文学家认为暗能量是导致宇宙不断扩张的头号嫌疑人。时空,也就是宇宙整体的基本结构,随着时间的流逝而不断地膨胀。
而这在本质上,就是万物的真正含义。
你是否想问,接下来会发生什么?在我们称之为宇宙的空间之外,在所有事物之外的是什么?在我们观测到的现实,即“满是阳光的房间”外面会有什么?这些都是好问题。目前,在我们能够真实地感知到万事万物的宇宙之外的一切,只能被简单地称为“非宇宙”。
在所有已知尺度上展开的现实之旅,以及本书的阅读之旅,均起始于已知和未知边缘。这是一个在我们的宇宙视界内外不断徘徊的地方,而宇宙视界是光在宇宙已知的存在时间内行进的距离所决定的范围,是进入你“房间”的大门门槛。在宇宙视界之内,是可观测的宇宙,而在这之外,是仍为谜团的迷宫。
可观测的宇宙
10-35米是物理学中最短的有意义距离,光走完这段距离大约需要10-44秒。相对而言,某些微波辐射的光子耗费了138亿年时间才撞到你身上,而这些光子走过的距离现在已经扩大到1026~1027米。在“物理学中的最短有意义距离”和“光子行进的距离”这两个尺度之间,就是我们能够观测到的(可能也是我们所知道的)一切。
从单一宇宙,到多重宇宙
事实上我们认为,我们的宇宙在已知视界之外势必还有延续。来自视界之外的那个宇宙的光还来不及抵达我们,而那个宇宙可能比我们所能看见的宇宙要大得多。基于已知的时空几何分析,人们做出了一些预测:在现有宇宙视界的基础上,若想获得一个“完整的”宇宙,可能还要将视界范围扩大至少250倍。另一些预测认为,根据宇宙最初的快速扩张(或膨胀),真实的宇宙可能比我们历来所看到的、所估计的还要大1023倍。
如果这是真的,那么宇宙中很可能存在对人类诞生之地的复刻。甚至连太阳系、行星、生命形式都可能有其翻版,与我们熟悉的那些概念有着不可思议的相似之处。
这是一个尚未被证实的猜想,翻滚的宇宙骰子可能已拥有足够的时间来复制地球和地球的历史。不过,与之相比,我们关于宇宙本质和物理起源的猜想更为神奇。
为了演示我们观测到的宇宙(包括时空的“形状”以及宇宙在最大尺度上表现出的相对一致性)是如何生成的,科学家们提出了宇宙膨胀现象。很久以前,在宇宙大爆炸后的短短一瞬,约10-36秒之后,时空迅速扩张了几万亿倍,直到时间指向了10-32秒。这就像是你皮肤上的一个小毛孔迅速膨胀到银河系那么大,而用时仅是人类计时设备所能测量出的最短时间间隔的10-17倍(约十万兆分之一秒)。
物理学家们提出了一种观点,认为这一膨胀制造出一系列“口袋”宇宙,其数量极其可观;宇宙的数量10倍又10倍地增长,直到出现了107个宇宙;有无数与我们所在的宇宙相似的宇宙,也会有无数不一样的宇宙。如果这是真的,“多重宇宙”就会孕生出其他版本的我们,演化出我们的分身。
退一步说,这种可能性会产生一些令人不安的问题。这意味着你做出的任何决定,无论好与坏,都有可能在其他地方、以不同形式被决定了很多次。这样一来,当几万亿其他版本的“我”在多重宇宙中的某个地方几万亿次捡起一片垃圾,我捡不捡起它还有什么意义呢?如果我们的宇宙只是众多宇宙之一,而并非我们曾认为的独一无二的存在,我们是否还应该花费时间来揭露宇宙的秘密呢?
让我们暂时保留这一疑惑,先去喝杯茶吧。
从遥远的天际观看
在这本书中,我们的旅程起始于人类现有的知识范畴:我们将从1027米(an octillion meters)这样一个尺度开始我们的深潜。之所以选择这一尺度,是因为如果能够在这一刻、在宇宙视界边界之内测量宇宙的物理直径以及宇宙的范围,我们就会发现,这一数值约为910亿光年,更具体地说是860 951 000 000 000 000 000 000千米,也就是约1027米。
如果你思维敏捷,你可能会对这一数值感到好奇。宇宙的年龄也不过才138亿岁,这一数字怎么会比光在已知时间内所行经的距离还要大呢?答案就是宇宙扩张,即时空膨胀。因此,在这一刻,测得的数值会比预测的要大。
事实上,我们可以绘制出宇宙视界的一面。宇宙在扩张的过程中逐渐冷却,由于光子在空间里穿梭,光波的波长延伸,并失去了能量。如果能够回到过去,我们会在回溯的过程中发现,宇宙变得越来越热,直到宇宙来到约379 000岁时,它的平均温度高达2 726摄氏度(4 940华氏度)。这个温度实在是太高了,致使电子无法被束缚在原子内。在空间中穿梭的光子不断被这些自由电子驱散开来,使得我们年轻的宇宙成了一团无法被电磁辐射穿透的“雾气”。
1026米
但很快,随着宇宙冷却,电子和质子能够结合起来,形成中性的氢原子,几乎不会再造成可见光的散射。“雾气”散开了,光子得以在不与任何粒子发生相互作用的情况下穿梭自如。直到今天,我们还能检测到这些光子,不过现在它们的波长已经非常长了,而且带有空间背景里不可避免的微波噪声。事实上,背景噪声就是宇宙视界的缩影。这就是我们所能看到的最远处。
使用最敏锐的望远镜,我们能够凝视宇宙深处,找到最早的那批恒星和星系(几乎存在于130亿年前)。这些尚在襁褓中的凝聚物是早期膨胀宇宙中的微小异常所播撒的种子,这里的异常是指通过拉取更多的物质而逐渐增加的引力。从这些星系雏形到与我们共享宇宙一隅的众多星系,所有这些形态,帮助我们成功地创建了这幅宏伟的宇宙景观地图。
这幅地图告诉我们,宇宙既是泡沫状的,也是由颗粒组成的,有点像是正在排空的浴缸或水槽中残留的肥皂泡残渣,泡沫的轮廓清晰可见,由一张三维的暗网及发光的物质组成。
附着在这张网上的是紧缩的凝聚物,在这里,引力远远超出时空扩张的力量,到处都是直径达几万亿兆米或者几亿光年的星系组成的超星系团。在这些超星系团中,分布着彼此截然不同的星系族群,辽阔而深邃的重力井能使几百或几千个星系群全都围绕着中心运转,此外,还有大量的热气池和冰冷的暗物质分布在距中心几千万光年的范围内。
1025米
宇宙中有小型星系、大型星系以及超大型星系。在这些星系中,分布着密密麻麻而又极为微小的恒星和其他恒星残留物,以及宇宙中密度最大的物体:黑洞。黑洞的质量是太阳质量的10倍到上百亿倍。
值得注意的是,在1027米到1023米这段尺度的旅程中,仅仅跨越了5个量级,我们便能够从可观测宇宙的规模(宇宙视界)缩小至我们的邻居——本星系群(Local Group galaxies)的规模。
换一种说法,我们从一个几乎包含了万事万物的空间(拥有超过2000亿个星系),来到了我们周边的一个包含50~60个星系的空间。
引力透镜
广义相对论告诉我们,物质使得空间弯曲,而空间引导物质行进的方向。弯曲的空间同样会引导光的路径。因此,来自遥远物体的光能够被介于其间的物质改变方向并放大,这便是透镜效果。我们通过一系列宇宙透镜看到了宇宙。
1024米
或者,我们可以比较一下1千米的距离(可能就是你早起锻炼所走的距离)和你口袋里一枚硬币的大小。这就是整个已知宇宙的跨度与其中星系的跨度之比。
此刻,你才刚踏上这趟宇宙之旅。这本书余下的部分构成了另一段旅程,其间我们需要穿越57个量级。你准备好了吗?那么我们开始吧!
1023米
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