宇宙紀錄片合集（共162集） P157 - 宇宙的構造01無限空間

就在日常現實之下 存在著一個令人驚嘆的世界 我們對宇宙的許多認 知都是錯誤的 物理學家暨暢銷書作者布萊恩·格林帶你進入這個世界 在一段顛覆人類經驗規則的旅程中 我們為何從來不曾見證事件的展開 反向進行呢 根據物理定律 這是可以發生的 這是一個浮出水面的世界 當我們探索宇宙最極端的領域時 從黑洞到大爆炸 問題的核心 我要擁有他所擁有的東西 在這裡 我們的 宇宙可能是眾多平行現實之一 三維世界可能只是一種幻覺 而且過去、現在與未來之間沒有區別 但這怎麼可能呢 我們怎麼可能 我們對如此熟悉的事物竟然如此錯誤 會讓我們煩惱嗎 當然會 並沒有任何自然法則規定理論物理學家一定要快樂 這是一種改變遊戲規則的觀點 為我們開啟了一個全新的可能性世界 接下來 如果你把所有這些東西都拿走呢 我們只剩下空無一物 但看起來卻像是 什麼也沒有實際上充滿了兇猛的活動 什麼是空間 它是物理學中最 深奧的謎題之一 它那難以捉摸的成分 是否隱藏著宇宙命運的關鍵 宇宙 《宇宙的結構》現正於NOVA播出 NOVA的主要資金來自 大衛·H·柯克與發現新知識 HHMI 並感謝公共廣播公司 以及 來自像你這樣的觀眾對你的PBS電台的捐助 謝謝 主要資金來源為 《宇宙的結構》由國家科學基金會提供 發現由此開始 亞 伯特·P·斯隆基金會 支持原創研究與公眾對科學的了解 科學、技術、工程與數學 額外資金由亞瑟·維寧·戴維 斯基金會提供 該基金會致力於透過教育強化美國的未來 美國能源部科學局與喬治·D·史密斯 基金我們認為我們的世界充滿了各種物體 例如建築物、汽車、公車和人們 在像紐約這樣擁擠的城市裡 這一點顯得尤為明顯 然而 周圍所有構成我們日常世界的事物 它同樣重要 但卻更加神秘 所有這些東西存在的空間 為了感受我在說什麼 讓我們暫停一會兒 發揮想像 如果把所有這些東西都拿走呢 我的意思是全部 人們、汽車和建築物都沒有 而不僅僅是這地球上的一切 連地球本身也一樣 試想一下 如 果你移除了所有的行星、恆星和星系 不僅僅是那些大型的天體 但連氣體和灰塵的最後一個原子都不剩呢 如果你把一切都拿走了呢 剩下的會是什麼 我們大多數人會說什麼也沒有 而我們是正確的 但奇怪的是 我們也會錯 剩下的只是空虛的空間 而事實上 空虛的空間並不是什麼都沒有 它是一種東西 一種擁有真實隱藏特性的東西 與所有實體一樣真實 在日常生活中 事實上 空間是如此真實 它能夠彎曲 也能扭轉 它能產生波動 因此虛空本身就能幫助塑造我們周圍世界的一切 並形成宇宙的本質 畢竟 你無法真正理解任何關於世界的事物 除非你了解空間 因為那是世界 有東西的空間 我們通常不太 意識到空間 但另一方面 我告訴人們 魚可能不太意識到空間 他們時時處於水中 空間其實並非什麼都沒有 內部充滿了許多活動 當大多數人想到太空時 他們會想到外太空 一個遙遠的地方 但空間其實無處不在 你可以說 它是宇宙中最多的事物 即使是極小的事物 如原子 我們與周圍世界所有事物的基本組成成分 其實幾乎都是空 無一物的空間 事實上 如果你移除了所有原子內部的空間 組成帝國大廈的石頭、玻璃與鋼鐵 你最後只會得到一塊小石頭 約莫一粒米大小 但重量卻有數億磅 剩下的只是空虛的空間 但什麼是空間呢 我可以給你看一張西班牙的照片 拿破崙 還有我哈洛德叔叔的 但空間看起來是這樣 什麼都沒有 那麼 你如何理解看起來什麼都沒有東西呢 為什麼是這個空間而不是什麼都沒有呢 空間是什麼 為什麼空間是三維的 為什麼空間那麼大 我們有許多活動的空間 在 怎麼會不迷你呢 我們對這些事情沒有共識 什麼是空間 我們實際上 還不太清楚 這是物理學中最深奧的謎題之一 幸運的是 我們並 非完全摸不著頭腦 幾個世紀以來 我們一直在收集有關空間的線索 一些最早的靈感來自於思考物體如何在空間中移動 要感受這一點 看看那位溜冰者 當她滑過冰場時 她與周圍的一切都有關係 她周圍的環境彷彿冰塊一樣靜止 當她開始旋轉時 她不僅能感受到自己在旋轉 她也能感受到 因為當她旋轉時 她能感覺到手臂被向外拉 但現在讓我們假設你可以移除她周圍的所有事物 從冰場到最遠的星系 那麼剩下的只有正在旋轉的溜冰者 在完全空無一物的空間中 如果滑冰者仍然覺得雙臂被向外拉 她就會知道她處於 旋轉 但如果虛空是什麼都沒有 她相對於什麼在旋轉呢 想像你正在 那個溜冰者 當你望出去時 什麼也看不到 只是一片靜止的黑色 你周圍的一切 然而你的雙臂卻被向外拉 因此你自問 我相對於什麼在旋轉呢 是不是有什麼我沒看到的事物 試圖回答這些問題 科學家們提出了一個大膽的新空間圖像 而關鍵在於從無中創造出有 當你去劇院時 你觀看演員的表演 我必須承認 我這輩子最喜愛的東西就是這一點 還有你 這風景 這故事 而我抗議 我愛你 那麼 願上帝原諒我 什麼罪過啊 親愛的美女們 但這裡有件重要的事你不會在節 目單上看到 我們幾乎從來不會注意到的東西 舞台 它絕對是…… 這節目中至關重要的部分 但我們大多數人卻連多想一下都不願意 但艾薩克 牛頓確實如此認為 這就是現代科學之父牛頓所想像的空間 一個空 曠的舞台 對牛頓而言 空間是宇宙中所有事件的架構 是其中的場地 宇宙的戲劇不斷上演 而牛頓的舞台是被動、絕對、永恆且不變的 這場行動無法影響舞台 而舞台也無法影響這場行動 透過這樣描繪空間 牛頓能夠以前所未有的方式描述世界 他不變的舞台讓他能理解我們周圍幾乎所有的運動 導致能夠預測從蘋果從樹上掉下來的方式等一切事物的法則 到地球繞太陽運行的軌道 這些定律非常有效 我們今 天從發射人造衛星到飛機降落都仍然使用它們 這些定律 所有都取決於一個根本的觀念 空間是真實的 即使你無法看到它、聞到它或觸摸它 空間本身足夠真實 可以作為某種運動的基準 例如那位滑冰者 牛頓會說 當她旋轉時 她的手臂會張開 是因為她正在…… 旋轉是相對於某樣東西 而那樣東西就是空間本身 哲學家們已經長時間爭論空間的本質 牛頓所做的就是改變辯論的術語 從而基本上奠定了現代科學的基礎 新生的牛頓時代風靡一時 並在聚光燈下持續了超過兩百年 但二十世紀初期 一連串新觀念的出現動搖了牛頓的理論體系 它從根本上改變了世界 一位在瑞士專利局工作的年輕職員提出的觀點 他叫愛因斯坦 愛因斯坦在19世紀末成長 那是電氣時代的黎明 電力 電力照亮了城市 催生了各種技術 牛頓 永遠無法想像 所有這些發展都觸及了某種東西 愛因斯坦從小就被光所吸引 不是燈泡和街燈的光 而是光本 身的本質 而他對某個特別的東西的著迷 正是從這裡開始的 光的奇特特性 其速度 導致愛因斯坦推翻牛頓對空間的觀點 讓我們來看看具體情況 目前我們正以每小時約20英里的速度行進 要加快速度 駕駛員只需踩下油門 車廂的時速就會改變 現在 你可以感受到這種變化 同時也能在車廂速度表上看到它 或者在其中一個雷達測速標誌上 好的 你可以現在減慢速度了 但現在想象一下 而不是測量計程車的速度 你會有一個雷達標誌來測量其車 燈反射的光線速度 這個標誌將測量光線以驚人的速度前進 每小時六百七十萬英里 現在 當計程車開始移動時 你可能會認為速度是 車燈的亮度會隨著車子的移動而增加相同的量 畢竟 你可能會認為移 動中的計程車會讓燈光獲得額外的推力 但令人驚訝的是 事實並非如此 我們的雷達信號或任何測量光速的結果都會顯示光以每小時六千 七百一十萬英里的速度前進 無論車廂是否移動 但這怎麼可能呢 光速的測量結果為什麼總是相同呢 如果你朝一 堵牆跑過去 光會比你靜止不動時更快朝你接近 但光的情況卻不是這樣 光速對每個人來說都是一樣的 這實在是太非凡了 那麼愛因斯坦是如何理解這個非凡的謎題的呢 他知道速度的意義 只是衡量某物在時間中移動空間的一種方式 愛因斯坦提出了一個真正令 人驚嘆的想法 即空間和時間可以協同作用 並根據精確的規律不斷調整 正確的數量 這樣無論你移動得多快 測量速度時都不會有誤 光的速度總是達到每小時六百七十萬英里 為了尊重這項絕對的特性 光 時間必須不再是絕對的 空間也必須不再是絕對的 這兩者必須停止成為絕對的 而那個 在這種情況下 它們會彼此相互影響 如果空間和時間的彈 性聽起來不熟悉 只是因為我們在日常生活中移動得不夠快 親眼見證它運作的過程 但如果這輛計程車能接近光速移動 所產生的效應將會是—— 不再隱藏 例如 如果你站在街角 當我靠近以接近音速經過時 輕微的光線下 你會看到空間調整 使我的計程車看起來只有幾英寸長 你也會看到 聽見我的手錶緩慢地滴答作響 但從我位於車廂內的視角來看 我的手錶 應該會正常運作 這裡的空間也應該如往常一樣 但當我望向外面時 那輛計程車 我會看到空間極度變形 以保持光速不變 因此 隨著愛因斯坦 時間與空間不再嚴格絕對 而是隨著運動融合 形成 一個被稱為時空的整體 我想 當我們每天過生活時 我們生活在牛頓的空間與時間圖像中 這是一件我們感到舒適的事情 但愛因斯坦能夠讓理性戰勝直覺 這才是真正體現愛因斯坦天才之處 這個認為空間和時間是統一的觀念 對我來說是科學史上最重 要的洞察之一 這與我們作為人類歷來所經驗的一切都極其不符 存在 而在愛因斯坦手中 這幅關於空間的新圖像將解開一個深層的謎題 與宇宙中最熟悉的力——重力有關 牛頓知道重力是一種力量 而他的定律以極其精確的方式預測了這種力的強度 但重力究竟是如何運作的呢 地球是如何在數千英里無物的太空 之中吸引月球的呢 它們的行為彷彿被某種看不見的東西所連接 繩子 但每個人都知道這不是真的 而牛頓定律也無法解釋 愛因斯坦發現沒有任何補丁能修復牛頓的重力 他必須創造一個機制 因為它 他必須理解它 在對這個問題苦思了超過十年之後 愛因斯坦得出了一個驚人的結論 重力的奧秘在於時空的性質 它甚至比他之前所認為的更加靈活 它可以被拉伸 像真正的布料一樣 這與牛頓的觀點確實是徹底的突破 把這張桌子看作時空 把這些球看作空間中的物體 現在 如果時空是平滑而平坦的 就像這張桌子的表面一樣 物體會沿直線移動 但如果空間像可以拉伸和彎曲的布料一樣 嗯 這看起來可能有點奇怪 但請看看如果我在上放一個重物會發生什麼情況 一個有彈性的時空織物 現在 如果我再次射出球 球將沿著較 重物體所造成的凹陷移動 愛因斯坦意識到 這就是重力的方式 實際上是這樣運作的 這是因為其中的物體扭曲了時空 換句話說 重力就是時空本身的形狀 月球被保持在軌道上 不是因為它 被某種神秘的力量拉向地球 而是因為它沿著時空的曲線滾動 在地球所創造的時空結構中 愛因斯坦認為 空間不僅真實存在 而且具有彈性 於是 空間突然有了特性 突然有了曲率 突然間 空間呈現出一種柔韌的幾何結構 幾乎像一張橡皮紙 它開啟了一種全新的思考現實方式 描述了整個宇宙 奧本海默之所以成為奧本海默 正是因為那個觀察 牛頓認為空間是被動的 愛因斯坦則認為空間是動態的 它與時間交織在一起 而且它規定了事物的運動方式 因此 在愛因斯坦之後 空間不能再被 視為一個靜止的舞台 它是一個參與者 在宇宙的戲劇中扮演著主要角色 現在 將空間視為一種動態、活躍且靈活如布料般的概念 是一回事 但這真的嗎 這只是一種比喻 還是它確實描述了空間的本質 好吧 愛因斯坦的理論預測 要找出答案的一種方法是進行一次小小的旅程 到黑洞的邊緣 黑洞是坍縮的恆星 當它們被壓縮到原來尺寸的一小部分 它周圍的重力如此強大 根據愛因斯坦的數學理論 一個旋轉的黑洞可以真正地將空間拖帶與它一 起旋轉 就像一塊實際的布料一樣被扭轉 最近的黑洞距離數以兆英里計 這使得驗證這個預測變得困難 但到了1950年代末 一位名叫的物理學家出現了 萊納德·席夫開始尋找一種方法 以更接近家鄉的方式驗證愛因斯坦關於空間的觀點 施夫受到某種我們通常認為是兒童玩具的陀螺儀啟發 他認為 如果空間真的像布料一樣扭曲 陀螺儀或許能讓他偵測到它 這是一個奇怪的主意 而他選擇了一個奇怪的地方與世界分享 史丹福大學教職員的游泳池 在此 1959年 施夫與兩位同事威廉·費爾班克和鮑勃·卡農會面 他非常興奮 他看到的一則高科技陀螺儀廣告 雖然看起來不同 但基本上是同樣的原理 這與孩子的玩具相同 就在那時 三人決定發射類似的 裝置進入地球軌道 通常 陀螺儀的軸會指向固定方向 但若地球確實在拖拽空間 那麼陀螺儀的軸也會被帶動 以一種可以測量的方式改變其方向 這是一個極其簡單的計畫 只有一個問題 愛因斯坦的理論預測地 球自轉僅會使空間產生極小的扭曲 這扭曲的程度如此微小 就如同 試圖從62英里外測量一便士的厚度 該團隊花了超過兩年的時間 試圖找出如何進行如此精確的測量 他們最終想出了一個計畫 將四個 自由浮動的陀螺儀安裝在一個指向遠距離恆星的望遠鏡上 如果空間扭曲 然後隨著時間的推移 陀螺儀將不再指向那顆恆星 因為他們會被捲入空間的漩渦中 1962年 他們向NASA申請了補助金 要求約一百萬美元用於後來被稱為重力探測器B的項目 團隊成員一開始認為這個項目需要大約三年時間 他們只是稍微樂觀了一些 隨著團隊不斷擴大 重力探測器B成為了歷史上最長的實驗之一 數十年來一直致力於實現最初的願景 這意味著將一架望 遠鏡發射到太空 並製造出有史以來最光滑的陀螺儀之一 這項技術實在令人感到恐懼 它就像驢子前面的胡蘿蔔一樣 就像我們總覺得這項技術總是在五到十年後才會實現 這項計畫在約35年間距離完成還有五到十年的時間 耗費了超過四十年與七億五千萬美 元這項計畫曾被美國國家航空暨太空總署（NASA）九次幾乎取消 最後 在2004年4月 團隊聚集起來觀看發射 在1959年坐在池邊的三個人中 只有一人活著看到這一切 我們在那裡觀看著 那是你生命中極其令人興奮的時刻 只是一次令人激動的體驗 一切完美無缺 一萬件事情都沒有出錯 超過一年的時間 重力探測器B繞著地球運行 團隊緊張 地監測它的每一個動作 試圖觀察地球是否真的會扭曲空間 最後 資料開始陸續傳入 但出現了問題 陀螺儀出現了微小且意外的震動 而且清理數據將耗費數百萬美元 隨著資金即 將耗盡 幾乎半個世紀的成果似乎即將付諸東流 然後 在幾乎最後一刻 兩個額外資金來源出現了 原始團隊領導人威廉·費爾班克的兒子 私下進行了捐贈 以及沙特王室成員圖爾基·阿爾·薩德 他擁 有史丹福大學航空工程學位 安排了一筆大額補助金 在接下來的兩年裡 資料的 問題得到了解決 顯示出陀螺 儀的軸心移動了幾乎正好是愛因斯坦方程式所預測的數量 我想這可能是你第一次能用肉眼實 際看到愛因斯坦的效應 他的漂移 這個實驗提供了迄今為止發現的最直接證據 證明空間是一種真實存在的實體 就像一塊織物一樣 畢竟 如果空間什麼都不存在 那又什麼可以被扭轉呢 但就在愛因斯坦研究最大尺度空間 的同時 另一群物理學家正在探討 極其微小尺度的宇宙 在那裡 他們發現了一個完全未被探索的領域 愛因斯坦的圖片在空間中並不存在 要明白我在說什麼請想像你能夠縮小到目前尺寸的數十億分之一 這是原子和亞原子粒子的領域 一切我們能看到的事物的基本構成單元 當你深入到這個層面時 這世界遵循一套被稱為量子力學的截然不同的規則 根據這些規則 即使你試圖移除每一個最後的原子和粒子 你會發現那片空虛仍然遠非真正空虛 實際上 它充滿了活躍的活動 粒子不斷地持續出現與消失 它們從虛無中爆發 迅速互相毀滅並消失 在量子力學中 空虛的空間並非那麼空虛 它充滿了波動的場 充滿了各種躁動的現象 它是粒子不斷波動的地方 這是一種彼此消滅又重新產生、不斷重複消滅的 狀態這是一個混亂且沸騰的地方 雖然理論預測了這一點 直到1948年 一位名叫亨德里克·卡西米 尔的科學家才提出 儘管我們看不見這些粒子 它們應該會造成我們能看見的空隙 他預測如果你拿兩塊普通的金屬板 並使其極度接近 甚至比一張紙的厚度還要接近 那麼具有特定能量的粒子將會被排除在外 因為從某種意義上來說 它們無法在板之間容納 隨著更多這種狂熱的活動出 現在板塊之外而非內部 卡 西米爾認為這些板塊會被我們通常所認為的虛空所推擠 幾年後 當實驗完成時…… 卡西米爾的理論被證明是正確的 在真空空間中 這些板子被推了過來 因此在原子尺度上 真空並非真正的空無 這裏的活動過於頻繁 甚至可能迫使物體移動 今天 人類對微觀世界空間的探索仍在持續 這也是歷史上最昂貴 的科學實驗之一 這是位於日內瓦 的歐洲核子研究中心（CERN） 而在地表數百英尺之下 便是世界上功率最強的加速器——大型強子對撞機 價格約為十億美元 它將亞原子粒子加速到 超過光速的99 99% 並讓它們相互撞擊 在這些碰撞產生的碎片雨中 在這裡的科學家們已經發現了一整 個奇特而異常的粒子世界 現在 他 們正追尋其中最難以捉摸的一種粒子 這種粒子被認為是構成萬物的關鍵 從我們身體中的原子到最遙遠的恆星 如果發現這種粒子 將會重新定義我們對空 間的認識 並完成超過40年前開始的探索 一切始於1964年 當時一位名叫彼得·希格斯的年輕英國 物理學家提出了關於空間的觀點 這觀點如此激進 幾乎毀了他 有人告訴我 我說的話毫無意義 我不可能是對的 所以他們明顯沒有理解我在說什麼 希格斯與其他幾位人士正努力解決一個問題 這個問題歸結為以下內容 宇宙中的基本粒子都具有不同量的質量 我們通常將其視為重量 沒有質量 這些粒子就永遠無法結 合形成我們周圍世界中常見的原子 但是什麼產生了質量 那麼不同的粒子為什麼會有不同的質量呢 儘管他們盡了最大的努力 卻沒有人能解答這個令人困惑的問題 某個週末 走在愛丁堡外面後 希格斯有了個奇怪的念頭 他運用數學 以一種新的方式想像空間 彷彿是一片海洋 粒子沉浸於這片海洋中 當它們穿過時便獲得質量 要了解其運作方式 可以將粒子的質量想像成演員的知名度 而希格斯海洋則像是狗仔隊 一些粒子 像不知名的演員一樣 輕易地穿過 狗仔隊對他們毫無興趣 但其他粒子 像明星一樣 卻必須努力推擠 而且這些粒子越努力穿越 與海洋 的互動就越多 所獲得的質量也越大 希格斯堅信他已經做出了一項偉大的發現 但當他將這個想法提交給歐洲核子研究中心的期刊時 卻被拒絕了 不懼艱難 希格斯進一步完善了他的理論 直到他獲得在愛因斯坦舊居 普林斯頓高等研究院發表的機會 那裡 他預期他的新觀點會遇到一些最嚴厲的批評者 我正高高興興地沿著高速公路行駛 突然看到一個指示牌顯示可以轉往普林斯頓 這讓我真正面對即將面對的事情 我嚇得冷汗直流 開始發抖 不得不靠邊停下來恢復鎮定 但希格斯堅持了下來 他這一系列的談話最終說服了遠近的同事 讓他覺得自己發現了某種深遠的真理 最終 我漸漸說服了他們 我覺得自己似乎獲得了勝利 因此我享受了之後的派對 今天 希格斯所提出的「希格斯場」概念 對我們理解空間至關重要 希格斯場無處不在 它甚至在最空虛的太空之中也會產生影響 它會給你質量 所以我想 希格斯確實應該得到肯定 因為他是最早提出這個觀點的人之一 空間就是物質 它具有一些固有的性質 你無法去除它們 你無法關閉它們 唯一的問題是 目前還沒有實質證據證明希格斯場存在 至少目前還沒有 但在歐洲核子研究中心 科學家們正嘗試以極大的能量將粒子撞擊在一起 他們將會鬆動希格斯場的一塊 產生一個屬於自己的微小粒子 就像他們試圖從空間中剝下一片一樣 我們認為 如果我們用粒子加速器的碰撞足夠強烈地撞擊太空 我們實際上可以讓希格斯粒子從虛無中產生出來 我們目前對物質的整體理解 如果希格斯場不存在的話 就會完全崩潰 我認為沒有 人會認真懷疑我們不會看到它 當然 如果我們不這麼做 那將是一個極其奇怪的結果 發現希格斯粒子將是一個重要的里程碑 確立了最空虛的空間對所有物質都有影響 但結果顯示 空間中含有一種成分 比希格斯曾想象的任何東西都更難以捉摸 一種可能掌握所有奧秘關 鍵的成分 宇宙命運的關鍵 這是一個開始於約140億年前的謎題 我們所稱的大爆炸 在短短的一瞬間 宇宙經歷了猛烈的擴張 使空間猛然向外擴展 宇宙從那時起一直在擴張 數十年來 大多數科學家認為 由於重力的拉扯 膨脹必須會減緩 當我把一個蘋果向上丟時 地球 的重力最終會使它停止並讓它回落 而且就像蘋果會隨著時間減速一樣 由於所有物質和能量的引力吸引 宇宙的擴張也應該會隨著時間減緩 對所有其他物質和能量而言都是如此 但是這引發了一個問題 宇宙的最終命運會是什麼 空間會永遠擴張下去嗎 還是重力最終會阻止空間擴張 使其在大崩塌中坍縮回自身 為了解開這個謎題 兩組天文學家啟程使 用一種新工具來測量宇宙擴張速度的減緩 爆炸的恆星稱為超新星 所以超新星是一顆在巨大爆炸中結束生命的恆星 它們極其明亮 它們可以亮如一百億個太陽 超新星之所以偉大 是因 為它們爆炸時非常相似 它 們的亮度大致相同 然後以幾乎相同的方式漸漸消失 因為這些爆炸如此明亮且均勻 團隊推測 這些超新星將會成為非常精確的宇宙燈塔 讓他們能夠追蹤空間擴張速度隨時間減緩的情況 問題在於 超新星非常罕見 要找到足夠多的超新星 普莫特花了多年時間遊說全球的天文學家 請求使用他們望遠鏡的時間 我們需要世界上最大的望遠鏡 我們需要完美的條件 在那些完美條件下 我會在他們半夜時打電話 給他們 當他們正試圖做一 些重要的工作時 我會說 我知道你有非常繁忙的日程 但萬一你能夠擠出這半小 時的觀察 對我們來說會 非常有趣 當他們最終收集到足夠的數據來繪製時 重力的拉力減緩了宇宙擴張的速度 他們卻驚訝地發現 結果似乎有些異常 他們根本沒有顯示出宇宙有任何減速的跡象 非常令人驚訝 實際上 一個正在加速的宇宙 它彷彿說明 我們原本認為是虛無的空間 實 際上卻具有固有的彈性因此 空間不願被壓縮 太空實際上想要將宇宙分開 看起來宇宙隨著時間的推移越來越快地擴張 而不是減速 我的第一個反應是 我必須弄清楚這哪裡不對 這不可能是正確的 但之前卻是正確的 而且大多數科學家都趨向於同一種解釋 有某種東西填滿了空間 並抵消普通引力的吸引力 將 星系推離並拉伸宇宙本身的結構 這種填滿空間的神秘物質被 稱為暗能量 它顛覆了我們對 宇宙的認識 在最大的距離 上 暗能量主宰著宇宙的內容 我們不知道那是什麼 如果你進行一種調查 對宇宙中所有的能量進行人口普查 會發現暗能量佔了宇宙的大約70% 直到十年前 沒有人想像過這樣的事物竟然存在 因此 空虛空間本身的重量佔整個宇宙重量的 70% 這與地球表面被 水覆蓋的百分比大致相同 想像一下 我們不知道水是什麼 我們現在對暗能量的認識就處於這種狀態 我們真的完全無法解釋它 我們在過去百年中發展出的 所有華麗的科學裝備 包 括量子力學、相對論與粒子物理學 卻都無法解釋暗能量 而且暗能量的發現帶來了另一個驚喜 宇宙中存在這種物質的想法實 際上早在80年前就已經被提出 我來告訴你一個小秘密 儘管他沒有稱之為暗能量 但早在很久以前 愛因斯 坦就預測空間本身可能產生 一種力量 使星系彼此分離 你瞧 就在愛因斯坦發現 他的相對論之後不久 他發 現根據數學計算 宇宙要 么正在擴張 要么正在收縮 但它無法保持固定的大小 這令人困惑 因為在他們了解大爆炸之前 大多數科學家 包括愛因斯坦 它將宇宙描繪為靜止、永恆且不變的 當愛因斯坦的方程式暗示宇宙正在擴張 或收縮 而非大家所相信的靜態宇宙時 他遇到了問題 因此 愛因斯坦回到他的方程式並對其進行了修改 為了讓某種反重力現象產生 這會使空間充滿向外推 的力量 抵消重力異常的 向內拉力 使宇宙靜止不動 他將此修正稱為宇宙常數 加入宇宙常數拯救了他的方程式 但事實是 愛因斯坦並不知道 這種向外推的力量或反重力是否真的存在 愛因斯坦引入宇宙常數的行為 並非一個非常優雅的解決方案 只是試圖尋找他所追求的靜態宇宙 這達到了反重力的效果 它指出重力有時會以這樣的 方式運作 不是將物體拉近 而是將物體推開 就像兩位巨人的衝突一樣 宇宙的宇宙常數與 普通物質的引力可 以維持宇宙的穩定 但大約十幾年後 天文學家愛德溫·哈勃發現宇宙並非靜止不動 而是由 於大爆炸的爆發力量而正在擴張 這發生在140億年前 這意味著愛因斯坦的原始方程式不再需要修改 因此 宇宙常數的必 要性突然間被拋諸腦後 感謝 不客氣 愛因斯坦被認為曾稱這是他的最大錯誤 但重點是 隨著最近發現宇宙的擴張正在加速 科學家們相信 太空中有某種東西正在將物體推開 因此 70年後 愛因斯坦最大的錯誤可能被列入他最深刻的洞見之中 那是一種沒有人想到的事情 但愛因斯坦的宇宙常數可能是理 解我們今天所見宇宙擴張的關鍵 雖然沒有人知道暗能量究竟是什麼 但它 提出了一個令人驚訝且令人不安的可能性 愛因斯坦將他反重力的強度視為恆定的 但暗能量的強度是否也是恆定的呢 如果它隨時間改變呢 這個答案可能顛覆我們對宇宙命運的所有既有認知 目前 我們世界中的一切 從構成我身體的分子到構成 月亮的分子 都是由壓倒暗 能量向外推擠的力量所維繫著 因此我們在日常生活中看不到事物擴展的現象 但這種情況可能不會永遠持續下去 在一種情境下 暗能量將持 續將星系推得越來越遠 直到 最終它們被推得極其遙遠 使宇宙變得寒冷、黑暗且孤寂 在另一種情境中 暗能量的強度 可能會隨時間增加 變得如此強大 以致於會撕裂星系內的一切 從恆星、行星到各種物質 如果暗能量隨著時間增加 最 終連原子都會被撕裂 當質子與 電子之間的暗能量足夠大 足以撕裂空間時 就會發生大撕裂 我們對空間的認識經歷了驚人的轉變 在牛頓時代 空間只是個容器 它什麼都沒做 然後透過愛因斯坦 空間開始影響物體的運動 然後與卡西米爾一起 物體甚至可以在真空空間中被活動所推動 現在透過希格斯與暗能量的概念 宇 宙的擴張可能來自於虛空本身的能量 我認為沒有人會想到太空會對現 實本質產生如此豐富且深遠的影響 但就我們目前的進展而言 從牛頓將空間視 為類似於舞台的觀點開始的旅程 尚未結束 當我們越來越深入地觀察宇宙的結構時 我們可能會發現比任何人想象中更多的驚喜 以我為例 我看起來夠真實 對吧 嗯 是的 但令人驚訝的新證據正逐漸浮出 顯示一切 你、我 甚至空間本身 可能實際上是一種全像圖 也就是說 我們所看到和體驗的一切 我們所稱為熟悉三維現實的一切 這可能是一種資訊的投射 這些資訊儲存在一張薄薄的、遙遠的二維表面上 就像這全息圖的資訊儲存在這張薄薄的塑膠片上一樣 現在 全息圖是我們都熟悉的東西 例如大多數信用卡上的安全標誌 但是宇宙是一場全息圖 這是有史以來對空間和現實概念最激烈的修正之一 而證據來自宇宙中最奇特的領域 黑洞 這是一個真正的脫節 很難讓人理解 現代從黑洞得到的觀點告訴我們 現實是二維的 那個三維世界 那個完整的三維世界 是一種位於空間區域邊界上的全息圖像 這是一件非常奇怪的事情 當我還年輕的時候 我會認為任何 說這種話的物理學家都是完全瘋了的 這裡有一種思考方式 請想像我拿著我的錢包把它扔進了黑洞 會發生什麼事呢 我們曾認為 由於連光都無法逃離黑 洞的巨大引力 我的錢包將永遠遺失 但現在看來這可能不是全部的真相 最近 科學家在研究描述黑洞的數學時做出了一個有趣的發現 就算我的錢包消失進了黑洞 它所包含的所有資訊似 乎會被模糊地儲存於黑洞 的表面 這與資訊在電腦中儲存的方式非常相似 因此 我的錢包最後出現在兩個地方 有一個三維版本已經永遠遺失了 在黑洞裡面 並有一種二維版本 作為資訊停留在表面 所有掉入那個黑洞的東西的資訊內容 可以完全以黑洞外圍來表達 當時的想法是 你只需參考 外部就能掌握黑洞內部的情況 理論上 我可以利用黑洞 外圍的資訊來重建我的錢包 這才是真正令人驚嘆的部分 黑洞內部的空間遵循與 黑洞外部或其他任何地方 相同的規則 因此 如果一個物體位於黑洞內部 黑洞表面的資訊可以描述 那麼宇宙中的一切 從星系和恆星到你我 甚至空間本身 這只是儲存在某個遙遠的二維 表面所投射出的資訊 這二維表 面包圍著我們 換句話說 我們 所體驗的現實可能類似於全息圖 三維世界是否像全 息圖一樣是一種幻覺 或許是的 我想我 傾向於認為 是的 認為三維世界是 一種幻覺 而最終 精確的實體是宇宙表面的二維實體 這個想法如此新穎 以至於物理學家們仍在努力理解它 但如果它是正確的 就像牛頓和愛因斯坦徹底改變了我們對空間的觀念一樣 我們可能正處於一場更為戲劇性革命的邊緣 對於這件如此深刻影響我們日常生活的東西 太空依然像一位熟悉的陌生人 它無處不在 但我們仍 遠未揭開它真正的身份 那可能需要一百年 可能需要一千年 或者可能明天就會發生 但當我們解決這個謎題時 我們將邁出巨大的一步 以完全理解 宇宙的結構 NOVA的主要資金由大衛·H·柯克提供 發現新知識 HHMI 並感謝公共廣播公司及您這樣的觀 眾對您所在 PBS 頻道的捐款 《宇宙的織網》 的主要資金來自國 家科學基金會 這裡是發現的起點 索爾頓基金會支 持原創研 究及公 眾對科學、技術、 工程和數學的了解 額外資金由亞瑟·文 寧·戴維斯基金會提供 致力於透過教育強化美國的未來 美國能源部科學局 以及喬治·D·史密斯基金