大空间：我们的宇宙地平线既遥不可及，又比以往任何时候都更近

正如他们所说，空间很大。道格拉斯·亚当斯(Douglas Adams)在1979年出版的“银河系漫游指南”(The Pitchhiker‘s Guide to the Galaxy)一书中详细阐述道：“你可能认为通往化学家的路还很长，但那只是小菜一碟。”当我们大多数人甚至难以想象地球的大小，更不用说星系或广袤的星际空间时，很难用日常语言来表达宇宙的浩瀚。我们经常谈论光年--光在一年中可以行进的距离--好像光速在某种程度上比写在数万亿公里上的数字更直观。我们用同样的术语给出基准(光在地球和月球之间旅行需要1.3秒)，但是，在我们的日常经验中，光是瞬间的。我们不妨从原子堆积的角度来讨论建筑物的高度。

也许，如果我们感觉更有冒险精神，我们会根据个人经验进行类比。到月球的距离是3200万辆校车！如果你能以每小时60英里的速度开着一辆校车去那里，你需要166天！我不确定这有什么帮助。

我希望我能说天文学家对这一切有更好的直觉把握。我们没有。大脑不是真的那样工作的。所以我们用数字作弊。我们用更长的尺度来谈论更大的空间：公里、光年、分秒、千帕秒、兆秒、千兆秒。我们习惯于指数(1000等于103；1万亿等于1012)，并在对数区间内思考，其中每一连续的步长都是10的新幂。在某种程度上，距离完全不再是一个简单的概念。在太阳系这里，空间和时间或多或少都表现良好，但当你不得不将宇宙作为一个整体来处理时，你必须考虑到它拒绝静静地坐着适应它的事实。在太阳系里，空间和时间或多或少都表现得很好，但当你不得不处理整个宇宙时，你必须考虑到它拒绝静止不动的事实。

空间正在扩张。这是从宇宙大爆炸开始的，而且不会很快停止。如果你看一个很远很远的星系，你不仅要考虑到你正在看的图像是旧的，你还必须考虑到它已经不再是你看到它时的位置了。比方说，你看到一颗超新星在10亿光年以外的星系爆发。超新星是刚刚爆炸，还是在10亿年前就爆炸了？你可以说后者，因为光已经向我们传播了十亿年，但既然当时没有办法观察它，那么说它在过去熄灭了到底是什么意思呢？还有那个10亿光年远的星系--它到底有多远？也许10亿年前它距离我们10亿光年，但是宇宙一直在膨胀，所以现在它一定要远得多。我们使用的距离是多少？

即使是时间也会因为空间的伸展而被扭曲。我们可以看到那颗正在爆炸的恒星在冲击波撕裂的过程中变亮和变暗，据说它花了大约100天才消失。但如果我们将它与附近的超新星进行比较，平均而言，我们会发现距离较远的超新星所需的时间要长几天。从我们的角度来看，它是以慢动作爆炸的。

即使有定义的限制，我们也会尽最大努力测量我们的空间，并量化其最远的范围。我们已经对无数星系进行了分类，其中一些星系非常遥远，它们的光几乎花了整个宇宙的一生才能到达我们这里。我们已经搜索了我们的宇宙地图，寻找一些边缘或中心的迹象，但没有找到。我们没有理由相信宇宙不会在内容或结构没有任何重大变化的情况下，在各个方向上永无止境。我们的银河系是广袤无垠的沙漠中的一粒沙子；放大到足够远，一切看起来大同小异。

不过，这是有限制的。无论我们的望远镜多么强大，无论我们凝视多久，我们都看不到比我们称之为“可观察的宇宙”的宇宙气泡边缘更远的东西。这是一个虚构的球体，以我们为中心，由光速和宇宙年龄来定义。这个气泡的半径是一束光在整个宇宙中传播时所能覆盖的距离。

如果我们每次向外看宇宙的时候，我们都在看过去，那么顺理成章地说，看得足够远就意味着要把时间看得那么远，这就是宇宙最初形成的时刻。这就是定义我们宇宙地平线的东西。换句话说，任何超出我们宇宙视界的东西都是如此遥远，以至于即使在138亿年前宇宙开始的那一刻就有光束离开了它，距离也是如此之远，以至于光束还没有来得及到达我们这里。时间还不够。

我们有很好的理由相信，在这个看似无边无际的宇宙中，地平线之外有星系，就像当你站在海洋岸边，除了水什么也看不见一样，你有理由相信最终会有陆地在那里，超出你所能看到的范围。如果你跳上一艘船离开，你的地平线会随你一起移动，你最终会看到那片陆地。类似地，如果你可以乘坐星际火箭飞船前往宇宙的另一部分，无论你在哪里，你的地平线仍然会以你为中心。不幸的是，尽管我们受到物理定律和出行方式的限制，但要离家足够远来显著改变我们的视野是不切实际的。但是我们仍然可以推断出在它之后可能会有什么。尽管宇宙地平线和地球上的地平线一样是主观的边界，但它有一个非常重要的区别。

当我们看向可观察宇宙的边缘时，我们看到的是真正令人震惊的东西。最远的光也是最古老的，它是来自大爆炸本身的光。早期的宇宙，就在创世的第一个时刻之后，又热又密，到处都是振动的等离子体嗡嗡作响；就在我们的视觉边缘，我们正在回顾过去，到目前为止，我们真的看到了发光的等离子体。这场大火持续了大约38万年，直到空间膨胀和冷却到足以让光和粒子自由通过它。当我们看着可观察到的宇宙边缘时，我们看到的是那个炽热致密相的最后几个阴燃的余烬。我们看到的是一个仍在燃烧的宇宙。

到我们宇宙地平线的距离并不像你想象的那样，138亿光年。正如我们上面所讨论的，在不断膨胀的宇宙中，距离是很奇怪的。当它的光开始向我们行进时，距离我们138亿光年的东西现在更远了。如果你把所有这些因素都考虑进去，我们在可观测宇宙边缘看到的发光等离子体现在实际上是在大约450亿光年之外的某个地方。

仅仅因为我们看不到火热的地平线以外的东西，并不意味着那里什么都没有。我们所拥有的证据，研究了我们绘制的宇宙中每个部分的星系的同一性，都指向这样一个概念，即空间在各个方向上都远远超出了我们的视界；我们视野的限制是间接的。如果我们碰巧生活在我们目前地平线之外的一个星系中，我们对宇宙的所有了解都表明，我们从那里看到的景象与我们从这里看到的景象非常相似。当然，原则上，非常遥远的宇宙可能是完全不同的--如果不能看到它们，我们就不能确定。事实上，在我们的地平线之外足够远的区域甚至可以被认为是独立的、孤立的宇宙，因为它们不能与我们的宇宙相互作用。

但是，如果宇宙不仅比我们所感知的要大，而且甚至比我们所能感知的还要大，那该怎么办呢？如果它向每个方向延伸，然后再向更多方向延伸呢？

我们的日常经验告诉我们，空间是有三个维度的。前/后，左/右，上/下。在物理学中，我们将时间描述为第四维，并将其整个包装为时空--一种可弯曲的四维宇宙网格。时空的可延展性是阿尔伯特·爱因斯坦相对论的一个基本原则，它允许网格随着其中万物的运动和质量而扭曲和伸展。这就是为什么空间可以膨胀和扭曲时间的流逝，也是为什么当你乘坐快速火箭或在黑洞附近闲逛时，时间移动得更慢的原因。

然而，物理学家们多年来一直在想，我们所经历的三维空间是否只是画面的一部分。如果有更多的空间维度，向我们无法感知的新方向延伸，这可能有助于解释理论物理和重力行为的一些令人费解的方面。给宇宙增加一个额外的空间维度，你会发现引力可以“泄漏”到宇宙中，使作用力看起来比实际情况更弱，并潜在地解释了为什么与支配粒子物理的力相比，它的强度是如此微不足道。

更高维度的空间也是弦理论的要求，该理论假设我们所看到的基本粒子实际上是在比我们所能看到的更多维度上振动的能量弦。在这些理论中，额外的维度是“紧凑的”--自我卷曲--因此，如果你真的设法找到了一个新的方向，开始了一段旅程，在你回到起点之前，你不会走得很远。

21世纪初提出的一种关于我们宇宙结构的假说认为，我们可能生活在一个四维空间(加上时间)的更大空间边缘的三维“膜”(想一想：膜)中。在这个更高维度的“块状”中，可能会有另一个3D膜，包含另一个宇宙，它可能会不时地撞上我们自己的宇宙。这一理论的创始人将其称为宇宙的“热能”模型，这源于希腊语中火灾的一个术语-这是对这样一个事实的认可，即每次宇宙碰撞都会导致大爆炸的炽热条件，并可以解释我们宇宙的起源和最终命运。在这个模型中，膜交替地朝向彼此，碰撞，然后再次分开，在一个无穷无尽的循环中，从大爆炸到膨胀，再到大破裂，再回到大爆炸。在这个模型中，我们今天在宇宙中看到的结构模式(星系和星系团的分布)是由爆炸前缓慢塌缩阶段的两个膜之间的相互作用播种的。

乍一看，仅仅为了解释大爆炸而假设更高的维度和新的宇宙可能看起来有些奢侈，但物理学家认真对待这些想法是有充分理由的。早期宇宙的标准图景可能比你想象的要复杂得多。当你想到大爆炸时，你首先想到的可能是一个奇点-一个无限密度的无穷小点，包含了所有的空间和时间，突然爆炸创造了整个宇宙。这个想法之所以流行起来，是因为爱因斯坦的引力方程可以描述这样开始的宇宙(也许最后会用一个大压缩奇点来包裹自己)，但它与我们在观察中看到的情况并不相符。我们在宇宙地平线上看到的背景光，大爆炸的余辉，告诉我们从奇点到我们现在享受的大而美丽的宇宙的简单进化是没有意义的。

问题是大爆炸的余辉，也就是我们所说的宇宙微波背景，太完美了。其精确度高得离谱(十万分之一)，在每个方向上看起来都是一样的。相同的颜色(或者，更确切地说，频率，因为它是微波光)，相同的光谱，相同的强度。这是个问题的原因是因为没有理由天空相对的两个区域应该以这种方式匹配。即使一切都是一起开始的，包裹在一个奇点中，它向外扩展的方式应该会在早期宇宙的不同部分带来极端的差异。在宇宙演化的火球扩张阶段，现在彼此相距甚远的地区从未有机会就温度是多少达成一致。宇宙微波背景在天空的一侧应该与在另一侧截然不同。

物理学家在20世纪80年代确定的解释为我们的宇宙故事增添了新的篇章。他们说，如果在非常早期的宇宙中，在炽热的火球阶段之前，有一段极其迅速的膨胀时期，会发生什么呢？也许就在奇点之后(假设有一个奇点)，早期的宇宙真的是一片混乱--有些地方热得多，有些地方冷得多。但后来宇宙膨胀得如此之快，以至于一小块太小而没有太大变化的小块延伸到足以组成我们整个可观测的宇宙。然后，物理学家们假设，无论宇宙中有什么奇怪的新成分导致了超伸展(我们称之为“宇宙膨胀”)突然在各处衰变成辐射，并点燃了我们今天探测到的背景光中可见的膨胀的火球宇宙。

从我们到目前为止所看到的情况来看，通货膨胀似乎与我们目前的模式运作得很好，甚至很好地解释了在宇宙微波背景光中观察到的每10万人中就有一次微小的波动。但我们没有任何人所说的确凿证据证明它发生了，我们也不能说它是如何或为什么开始的，也不能说是什么驱使它发生的。

顺便说一句，即使在通货膨胀的模式下，被另一个宇宙击中的可能性也不是完全不可能的。

如果膨胀真的发生了，那么创造我们可观察到的宇宙的一系列事件可能会在一个更大的空间的不同部分反复发生，这个过程被称为“永恒的膨胀”。我们的想法是，更大的背景空间总是在膨胀，但偶尔，在其中的一小部分，膨胀会停止；宇宙的那一部分升温，正常的宇宙膨胀占据主导地位。这将创造一种多元宇宙，因为由那些独立的后通胀区域定义的小泡沫宇宙不断从膨胀的背景中消失。每个气泡宇宙都会被不断膨胀的空间隔开，不能相互作用。大部分。

每周一次

天文学家已经寻找过这些瘀伤。到目前为止还没有人出现，但我们会继续搜索。与此同时，我们中的一些人将继续对通胀图景持怀疑态度，因为它的引擎未知，具有无限的多样性，并试图找到一些更令人满意的替代方案。

至于放热模型，多年来它经历了多次修订，目前的版本根本不涉及更高维度或宇宙碰撞。在某些方面，它看起来更像是膨胀：不是由薄膜的运动驱动的，而是由标量场的演化驱动的，标量场是一种充满空间的能量场，类似于大多数物理学家认为助长了宇宙膨胀的东西。(一些新的通胀模型也涉及薄膜世界，只是为了让事情变得有趣。)。尽管不再需要巨大的宇宙碰撞，热释模型仍然包含了宇宙塌陷和大爆炸之间的过渡。然而，在新的版本中，崩塌可能是相对温和的，导致在引发新周期的大火之前产生一点压缩。如果它以这种方式永远循环下去，而不是无穷无尽的袖珍宇宙，我们更大的空间将是一个巨大的、不断增长的宇宙：不断扩张，呼吸，然后再扩张，一遍又一遍。

定义我们可观测的宇宙的宇宙地平线是一个硬限制。我们看不到它以外的东西，除非我们对现实结构的理解发生巨大变化，否则我们可以确信我们永远也看不到。宇宙的膨胀正在加速；现在任何超出我们视界的东西都会越来越快地从我们身边消失，它的光线将永远赶不上我们。虽然我们可能永远不能肯定地说出边界之外的是什么，但所有理论的共同点是，我们的可观测宇宙是一个大得多的空间的一部分。

这个空间是否包含气泡的多元宇宙，每个气泡都有不同的物理定律；是否它是一个不断增长的宇宙的一部分，我们在一个周期中只是其中的一部分；或者空间是否以我们无法想象的方向向外延伸，我们目前只是不知道。但我们在寻找线索。

宇宙微波背景光的模式，星系的分布，甚至测试重力和粒子物理行为的实验，都让我们洞察到宇宙的基本结构，以及它在最早时刻的演化。我们离能够讲述我们整个宇宙的故事越来越近了。我们已经可以直接看到我们的宇宙在火焰中锻造，就在它开始之后的那一刻。有了我们现在正在收集的线索，有一天我们可能会一直追踪到故事的结尾。

本文基于Katie Mack即将出版的新书“万物的终结(从天体物理学的角度讲)”，该书由斯克里布纳于2020年8月4日出版。

这篇文章是在约翰·邓普顿基金会对永旺的资助下完成的。本出版物中表达的观点是作者的观点，不一定反映基金会的观点。永旺杂志的资助者不参与编辑决策。