漫聊合集 宇宙大尺度的形狀：對稱性背後的時空密碼

請你思考一個問題 在大的尺度上 宇宙的整體是什麼形狀的呢 你可能從來都沒有覺得這是個問題 你在很多的視頻和圖片裏都看到過宇宙的樣子 就是一個黑黑的大球 從大爆炸的那個小點開始 逐漸變大 那我先直接告訴你答案 不對 宇宙不是一個三維的球體 請先把這個形狀在你的腦子裏刪除掉 那些視頻只是爲了說明問題的 好 接下來請你認真地想一想 宇宙它可能是什麼形狀的 我們的地球差不多是個球形 但是太陽系不是球形 它是一個很扁的圓盤形 耶和系也是圓盤形 但是它有很多的懸臂 不是所有的星系都是圓盤形狀的 比如說螺旋星系IC2163 它的形狀像一對大眼睛 南三角座的ESO137-001星系 看起來像一隻巨大的水母 可以說是千奇百怪 所以宇宙似乎也可以是任何的形狀 那如果你是一個有野心的宇宙學家 你一定不想盲猜 但我們也沒有辦法飛到宇宙的外面 給它拍一張照片 所以你只能寄希望於找到一些理論 來幫助你把無限多可能的選項 縮減到幾個 最好是隻有一個選項對不對 那有一個理論 就可以幫我們把宇宙形狀的可能性 從無限多種減少到三種 而且我們差不多快要找到那個最終的答案了 不僅如此 這個理論還決定着宇宙的生死時速 也就是時間它是否成立 今天我就想和你聊一聊這個 乍一聽挺熟悉 但是在科學領域 卻很少聽別人拆開了仔細講的概念 它的名字叫 對稱性 不知道你有沒有想過 我們腳下的地球 頭頂的星空 乃至整個浩瀚的宇宙 它們運行的底層密碼 竟然就藏在兩個看似簡單的句子裏 我們先從這兩個句子開始說起 大物理學家理查德·費曼曾經說過 如果讓他用一句話 來總結現代科學最重要的發現 他會選擇這句話 世界是由原子組成的 這是因爲我們對宇宙的許多理解 都是基於原子的性質 和它們相互作用的理論 很多的現代著名科學家認爲 如果可以再選一句話 那就是 對稱性是宇宙規律的基礎 後來科學界就這麼一個段子 說如果我們整個人類的文明都毀滅了 只能給後人留下兩句話 那就留下這兩句 世界是由原子組成的 對稱性是宇宙規律的基礎 這兩句話留給後世 會讓下一個重新崛起的文明 節省幾百年的探索時間 在過去的幾百年裏 科學領域發生了無數的變革 這裏面最具有活力的發現 都有一個共同點 它們都關注自然界 在很多種不同的操作下 保持不變的特性 這種不變性 就是物理學家所說的對稱性 當然我們在日常生活中 所說的左右對稱 它也包含在這個對稱性裏面 只不過呢 物理學家所說的對稱性 要更廣泛 在很多重要的科學進展中 對稱性都扮演了關鍵的角色 那我們不妨 就從你最熟悉的幾何對稱 開始聊起 你隨便拿起一個 檯球桌上的白球 放在手裏旋轉 或者呢 讓一個沒有花紋的圓盤子 繞着它的中心旋轉 它們看起來在旋轉中 都沒有任何的變化 你還可以拿起一片 剛剛落下的雪花 把它的每個角 轉到相鄰角的位置 這就不能隨便轉了 你只能轉一個固定的角度 你會發現 很難看出這片雪花經歷了轉動 或者你可以讓一個字母A 繞着垂直軸翻轉一下 你會得到一個 看起來一模一樣的字母A 一個物體所具有的對稱性 說的就是這樣一種操作 不管這種操作是真實的 還是想象的 只要在這種操作下 這個物體看起來 沒有發生任何變化 我們就可以把這種操作 稱爲這個物體 所具有的對稱性 對於一個物體來說 能讓它保持不變的 操作的種類越多 它所具有的對稱性就越多 像白色檯球那樣完美的球體 具有高度的對稱性 因爲任何一種旋轉 只要這個旋轉經過球體的中心 這個操作都沒有辦法 讓球看起來 和原來有任何的變化 而立方體的對稱性 則要少一些 因爲只有圍繞着 垂直於立方體表面的中心軸 旋轉90度 才能保持這個立方體不變 一旦有人用其他的方式 旋轉了這個立方體 比如說轉了45度 你還是可以認出來 它是原來的那個立方體 但你也會同時發現 有人轉過它了 而我們前面說的字母A 它的自由度就更少了 你只能沿着它的 豎向的中心軸 左右翻轉 或者我們叫旋轉180度 才能看起來沒有變化 不過在物理學中 對稱性的範圍那可就廣多了 我們能對一個物體進行的操作 就不僅僅是旋轉或者翻轉了 我們可以用一種更抽象的方式 來思考這個問題 也就是 無論是對你 還是對環境 施加哪一種操作 不管這個操作是現實中發生的 還是我們想象出來的 這種操作 會讓那些用來解釋你觀測到的 物理現象的定律保持不變 強調一下 是一種操作 讓物理現象的定律保持不變 需要注意的是 這裏的對稱性操作 並不要求你觀測到的結果不變 我們真正關心的是 這些觀測背後的定律 在對稱性操作下 是不是沒有發生變化 再說的詳細一點就是 用來解釋你進行 對稱性操作前的觀測的定律 是不是和用來解釋 你進行對稱性操作之後的 觀測的定律完全一樣 我們用一個例子來說明 假設你是一名體操運動員 過去幾年時間 一直爲參加奧運會備戰 你已經可以輕鬆地完成 體操套路中的每一組動作 你很清楚在平衡木上 要用多大的勁 才能完成挺身前空翻 在地板上要跳多高 才能完成一個直體後空翻 轉體720度 在雙槓上 把身體擺動的多快 才能完成一次完美的後空翻 看起來 你的身體對牛頓定律 已經有了本能的感覺了 好 現在奧運會的比賽要開始了 你要飛到美國去 在現場觀衆面前表演 你當然希望牛頓定律保持不變 牛頓定律確實可以 滿足你的這種期待 它並不會隨着位置的改變而變化 即便你換個地方 支配你身體的定律 也不會受到任何的影響 這個就像那顆檯球 在旋轉時看不出 表面有任何變化一樣 這種對稱性在物理學中 被稱爲平移對稱性 或者說平移不變性 平移對稱性 不僅在牛頓定律中成立 在用來描述電磁相互作用的 麥克斯韋定律中 愛因斯坦的狹義相對論 甚至是廣義相對論中 還有量子力學中 以及現代物理學 形形色色的各種理論中 平移對稱性都是成立的 我們還是要強調 是物理定律不變 而不是觀測結果不變 你的觀測和體驗 會因爲你所處的位置變化而不同 比如說 如果你在月球上做體操 你就會發現 當你的雙腿 使用同樣的力氣往上跳的時候 身體彈起的軌跡 是和地球上完全不同的 但是我們懂得其中的差異 知道這正是物理定律導致的 因爲月球比地球要輕很多 所以可以產生的引力 也就小很多 從而讓你向上蹦起的軌跡 和在地球上是完全不一樣的 而這個定律 引力的大小取決於質量的大小 正是牛頓引力定律的一個組成部分 你在地球和月球上感受到的不同 並不代表引力定律 隨時間和地點的變化而變化 但我們想 物理學定律可不一定非得是這樣 我們也可以臆想出一個新的宇宙 裏面的物理定律 就是會隨時隨處變化 我們在地球上所熟知的物理定律 完全不能幫助我們瞭解月球 不能幫助我們瞭解仙女星系 蟹狀星雲 或者是宇宙中其他位置的物理定律 事實上即便在我們這個宇宙裏 我們也不真的那麼確定 就在地球上起作用的物理定律 是不是也在遙遠的其他地方有效 但是我們的確知道 要是宇宙中某個地方的物理定律 不同於我們所想 那它必須就在什麼地方找個出口 把這種差異給消化乾淨 否則就解釋不了 我們觀測到的那些現象 越來越精確的天文學觀測 已經向我們提供了足夠可信的證據 證明在整個宇宙空間中 或者更準確的說 至少在我們目前所能觀測到的宇宙空間中 物理定律是保持一致的 這一點也就更加突出了 對稱性的神奇威力 雖然我們只能在地球和附近活動 但是空間平移不變性的存在 讓我們能夠足不出戶 就洞悉整個宇宙的基本規律 因爲在我們這裏發現的物理定律 同時也是整個宇宙的定律 我們說的轉動對稱性 或者轉動不變性 還有平移不變性 其實是近親了 這些對稱性都是基於這樣一種理念 也就是不同的空間方向 有着相同的地位 你可能會覺得奇怪 在地球上你覺得上和下 那是有區別的呀 注意那也是環境的區別 而不是物理定律的區別 如果你離開地球 漂浮在外太空 遠離任何的星系 或者其他的天體 對稱性就會凸顯出來 在黑洞洞的宇宙空間裏 你找不出一個特殊的方向 上下四周全是一樣的 如果你打算建造一個 用來探索物質 或者力的性質的一個實驗室 那麼你根本不用花心思 它在朝向上的問題 因爲基本定律 根本不會被實驗室的朝向所影響 那麼除了這種空間方向上的對稱性 物理學還遵循另外一種對稱性 如果你的外層空間實驗室 以勻速運動 不管是以每小時5000米的速度 還是以每小時10萬千米的速度運動 那麼這些運動都不會對 用來解釋你的實驗觀測的物理定律 有任何的影響 愛因斯坦更是往前一步 他提出光的對稱性 將光速提升到了 不可侵犯的大自然定律的層次 並且宣稱它不受運動的影響 正如白色的檯球 不會因旋轉而改變一樣 那麼光速不變 我們在之前有一期節目裏仔細的講過 沒有聽過的小夥伴可以去聽一下 愛因斯坦的下一項重大的科學貢獻 也就是廣義相對論 正是沿着這樣的方向 朝着具有更大對稱性的理論繼續前進 你可以把狹義相對論想成 是在相對於彼此 勻速運動的觀測者之間建立對稱性 你也可以把廣義相對論 想象成是一個 前進了一步的狹義相對論 它在相對於彼此 在宇宙中你是不能感受到 勻速運動的 但是你可以感受到加速運動 描述你的觀測的物理學定律 看起來應該會因爲你的加速度 而變得有所不同 以便於解釋 你所感受到的額外的內部分力 而這正是牛頓理論的情況 而愛因斯坦意識到 你沒有辦法區分加速度和引力場的區別 一旦我們把合適的引力場 添加到外在的物理條件中 在你加速的時候 物理定律就不會發生變化 在廣義相對論的框架中 所有的觀測者 即使那些做變速運動的觀測者 都具有平等的地位 他們彼此完全對稱 因爲每一個觀測者 都可以宣稱自己處於靜止的狀態 只要他們將各自所感受到的力 換算成不同的引力場效應 這就如同你在地球和月亮上 做體操所感受到的不同是一樣的 在過去的幾十年間 物理學家們將對稱性原理的地位 提升到了我們科學探索之梯的最高一級 但凡有人提出一條新的自然定律 他們就會很自然的問出 爲什麼要有這條定律 爲什麼要有狹義相對論 爲什麼要有廣義相對論 爲什麼要有麥克斯韋電磁理論 爲什麼要有關於強相互作用 和弱相互作用的楊-米爾斯場論 可以這麼說 物理學家們感覺 這些理論可能是正確的 而對稱性的思想 是他們這種感覺最關鍵的理由 正是因爲沒有理由認爲 宇宙中存在某一個 與其他位置相比獨一無二的位置 所以物理學家們對平移對稱性 廣泛存在於自然定律中 是有信心的 正是因爲沒有理由認爲 宇宙中存在某一種 和其他勻速運動相比 獨一無二的勻速運動 所以物理學家們有足夠的信心 相信狹義相對論 也正是因爲沒有理由認爲 任何一個觀測點 不管它是否在加速 都和其他的觀測點有所不同 所以物理學家們對廣義相對論 有足夠的信心 可以說 對於科學家來說 對稱性並不是自然定律的結果 而是自然定律的基礎 如果沒有對稱性 那麼現代科學的大廈 將會整體崩塌 如果有一天 你提出一個新的理論 但是挑戰了某種對稱性 那麼就會迎來科學界 最嚴苛的審視 但是這裏有一個東西 你肯定猜到了 那就是我們講過很多次的時間 對稱性對於時間也很重要 沒有人能給予時間 一個明確的基本層面上的定義 但毫無疑問的是 時間是宇宙變化的記錄者 宇宙中的事物逐漸變化 不同以往 使我們注意到時間的流逝 手錶上的指針指向不同的數字 太陽在天空中的位置發生變化 可樂瓶子中出來的二氧化碳分子 四處彌散 所有這一切都表明 事物發生了變化 而時間的作用正在於 它可以幫助我們注意到這些變化 按照約翰·惠勒的說法 時間就是大自然 用以保證所有一切 所有的變化 不至於一股腦 一下子發生的巧妙方法 時間的存在取決於 一種特殊的對稱性的缺失 如果今天的世界和過去的世界之間 存在一種完美的對稱性 如果時間的改變 就像旋轉白色檯球一樣 不會帶來任何變化 那我們感受到的時間 實際上就不存在 我們前面用了三期的時間 探討了時間這個東西 在經典物理學中的消失 和在現代物理學中的迴歸 今天我們在這 就不重新展開這個話題了 我們換一個問題 請你思考一下 既然相對論告訴我們 時間的流逝快慢 取決於你運動的速度 和你所處的引力場的強度 這一點經常聽我們節目的人 肯定都清楚了 就是如果你不停地加速運動 直到接近光速的時候 你的時間流速就會越來越慢 好 那麼我們不僅要問 天文學家和物理學家們 當他們談起 整個宇宙的年齡的時候 也就是宇宙開始於 距今140億年之前 這個140億年 又是相對於誰來說的呢 是哪一臺時鐘 給出的140億年呢 如果有一個 距離我們很遙遠的星系 它和我們之間 以非常快的速度相對運動 那在這個星系裏的智慧生命 它們也會得出 宇宙的壽命是140億年 這個結論嗎 如果是這樣的話 又是什麼保證了 它們的時鐘 和我們的時鐘 是同步校對過的呢 這些問題的答案 也取決於對稱性 空間中的對稱性 40多年前 科學家們發現 宇宙中瀰漫着 微波背景輻射 它正是大爆炸剛剛結束的時候 極度高熱環境 殘留到今天 冷卻下來的遺蹟 早期宇宙 處於難以想象的高熱狀態 但是隨着宇宙的演化和膨脹 輻射被穩定地持續稀釋 慢慢地冷卻了 今天微波輻射的溫度 只比絕對零度高2.7開爾文 宇宙微波背景輻射 對天文學家來說 就像是恐龍骨骼 對古生物學家一樣珍貴 通過過去十幾年的衛星觀測 我們發現了 微波輻射的一個重要特點 它的分佈是極其均勻的 天空中不同區域的 微波背景輻射差異 如果在地球上這樣微小的差異 會讓天氣預報變得毫無意義 這就相當於整個地球 所有地方的天氣都一模一樣了 而在宇宙尺度上 這種輻射溫度的均勻性 卻非常的重要 這裏有兩個原因 首先 輻射溫度的均勻性 提供了觀測證據 證明宇宙在早期 並不是由巨大的高商的物質團 比如說像黑洞這樣的東西 所佔據的 因爲那樣不均勻的物質環境 只會留下同樣不均勻的 輻射痕跡 相反 輻射溫度的均勻性證明了 年輕的宇宙是各向同性的 而各向同性 就意味着很低的商 這是一件好事 因爲我們關於時間之鑑的討論 需要建立在宇宙的起始商 是低商這種情況下的 第二個原因 儘管宇宙起源於大爆炸 但是總體上 整個宇宙各地的演化 應該是類似的 既然我們這裏的溫度 和宇宙中其他地方的溫度相同 那麼宇宙中每個地方的物理條件 從大爆炸以來 一定是以相同的方式演化的 這個推斷非常的重要 但是我們需要正確的理解 當我們仰望星空的時候 乍一看 似乎天空並不一致 各種不同的行星和恆星在裏面閃爍 這裏的關鍵就在於 當我們分析整個宇宙的時候 採用的是宏觀的視角 這些小尺度上的差異 這裏的小要打一個引號 它們的差異完全可以被平均掉 在大尺度上 宇宙是均勻的 這就像是一杯水 在分子層次上 水是雜亂無章的 這裏有一個H2O分子 那裏有什麼都沒有 而另外一邊又有兩個H2O分子 但是 如果我們對小尺度的水分子進行平均 只考慮日常生活中 這種肉眼可見的大尺度上的水 我們就會發現 水是清澈而均勻的 這個結論之所以非常重要 是因爲它讓我們可以爲整個宇宙 定義一個時間的概念 如果我們把變化的程度 視爲時間流逝的有效定義 而整個空間的物理條件的均勻性 又證明了宇宙變化的均勻性 那麼我們就能知道 時間的流逝 它也是均勻的 打個比方 這就好像地球的地理結構的均勻性 這裏我們說的均勻 當然也是大尺度上被平均之後的均勻 這種均勻性 讓美洲、亞洲和非洲的地理學家 可以一致的認可地球的歷史和年齡 而不會讓美洲的地理學家和亞洲的地理學家 因爲地理條件的不均勻 而得出不同的地球年齡 這是一樣的 宇宙演化的均勻性 也讓生活在不同星系的物理學家 能夠達成對宇宙歷史和年齡的共識 但是要當心 這裏我們又會遇到一個核心的問題 如果宇宙擁有短暫的對稱性 也就是說 它處於一種完全不變的狀態 那麼連定義時間都會變得非常困難 而另一方面 如果宇宙在空間上沒有任何對稱性 比如說背景輻射是完全雜亂的 各個區域的溫差非常的巨大 那麼在宇宙學上 時間的概念也會變得沒有意義 不同地方的鐘會以不同的速度走 如果你想知道 宇宙在31歲的時候是什麼樣子 答案就取決於 你用哪個鍾來計算這31年的時間流逝 那就會非常的複雜 所以你看 非常幸運的是 我們的宇宙既沒有那麼多對稱性 以至於時間完全失去意義 也不是完全沒有對稱性 這樣我們就可以避開那種 完全無法計算的複雜性 讓我們可以討論宇宙的總年齡 也可以討論隨着時間的演化 我們總是說 爲什麼人類可以觀察和理解宇宙 我想這就是宇宙留給我們的一個恩賜吧 那就是很多地方都有對稱性 但又不是完全對稱 那好 就讓我們再來關注一下宇宙的演化 用一句話來說 宇宙的歷史很簡單 宇宙在膨脹 1929年艾德文·哈勃發現 他在望遠鏡裏看到的幾十個星系 都在離他遠去 而一個星系離他越遠 那離去的速度就越快 距離我們一億光年遠的星系 以每小時550萬公里的速度離我們遠去 距離我們兩億光年的星系 移動速度也變成兩倍 就是以每小時110萬公里的速度離我們遠去 而距離我們三億光年的星系的移動速度 就變成三倍 以此類推 後來的故事你知道了 人們按照這個現象反推得出結論 宇宙一定開始於一場大爆炸 但這裏也有個問題 如果宇宙像是一顆炸彈爆炸開 所有的星系都像炸彈的碎片一樣往四處飛 那麼就會有些碎片朝着相反的方向飛 有的碎片朝着同樣的方向飛 而如果我們所在的地球在一塊隨機的碎片上 那我們應該觀察到 有的星系相對我們是靜止的 因爲總有些碎片是和我們朝同一個方向飛的嘛 但事實卻不是這樣 我們看到所有的星系都在離我們遠去 那麼合理的推測是 我們恰好在宇宙大爆炸的正中心 因爲只有這樣 我們纔會看到四面八方的星系 離開我們的速度是一致的 只要它們和我們的距離類似 而不是說東邊的星系離開的快一些 西邊的星系離開的慢一些 要真的是那樣的話 這個理論就必須承受一個根深蒂固的不對稱性 也就是遠離爆炸核心的區域 那些離我們很遠的地方和我們這裏將會有很大的不同 因爲天文學上的實驗數據並沒有爲這種不對稱性提供依據 我們前面說了很多次 宇宙中所有的地方看起來都是差不多的 同時我們也高度懷疑 真的就那麼巧 我們就誕生在宇宙的正中心 那這就要求對哈勃的發現 給出一個更加複雜的解釋 在這個新的解釋中 我們所在的位置 不應該在宇宙中處於某種特殊的地位 否則就和我們一直秉承的對稱性相沖突了 廣義相對論最終給出了一個這樣的解釋 愛因斯坦發現空間和時間是可變的而不是固定的 它們是有彈性的而不是剛性的 他給出的方程可以準確地告訴我們 空間和時間是怎樣隨着物質和能量的存在而變化 後來在20世紀20年代 俄羅斯數學家亞歷山大·弗裏德曼 分析了愛因斯坦方程 並且得到了讓人吃驚的結果 他認識到迷散於整個宇宙空間的引力 會讓空間本身的結構發生變化 在這個新的解釋下 宇宙中的物質並不像炸彈碎片一樣 在不變的空間裏四散飛去 而是說空間本身在膨脹 空間的膨脹把裏面的星系彼此拉開 反倒是這些星系相對於空間本身是沒有運動的 舉一個比較好理解的例子吧 這就像在一個氣球上畫很多的小點 當這個氣球被吹起來的時候 每個小點都彼此遠離 並且你站在上面的任何一個點上 都能看到其他所有的點都在遠離自己 但是這個氣球上並沒有一個特殊的點 宇宙的膨脹也是這樣 站在任何的一個位置看 自己都像是在爆炸的中心 哪個星系的觀測者都像我們一樣 看到其他所有的星系在離自己遠去 並且離得越遠的小點離開的速度越快 這個遠離的效應也是可以被計算出來的 還是剛纔氣球的例子 如果氣球在一段時間裏膨脹到兩倍 所有空間的間距都變成了兩倍 那麼之前相距一米的小點 現在相距就是兩米 之前相距五米的小點就會變成十米 相距一千米的小點 現在會相距兩千米 也就是說在一定時間內 兩個小點之間距離的增加 正比於它們之間的初始間距 兩個小點之間的距離越遠 兩者之間的空間越多 當空間膨脹的時候 它們之間的距離增加也就越顯著 你可能會說 氣球裏面的中心點就是個特殊點 因爲氣球表面所有的點都在離它遠去 所以我們一定要強調一下 這個比喻裏 唯一有效的部分是氣球的那個表面 我們是用氣球表面這個二維的平面 來幫你理解宇宙的三維空間 這個在我們後面描述宇宙形狀的時候 非常的重要 這個氣球的比喻也能幫助你理解 爲什麼整個宇宙在膨脹 但是我們看不到身邊在發生這種膨脹 比如說你的桌子離你遠去 或者說木星離我們遠去 因爲在整個宇宙的大尺度下 這些物體之間的距離太小了 以至於這麼小的空間膨脹 在測量中可以小到忽略不計 這就好比那個氣球上有兩個小點 幾乎是緊緊的挨在一起 那麼即便氣球被吹得很大 相比那些原本互相遠離的點 這兩個緊挨着的小點之間 還是捱得很近 接下來我們再來想象一個氣球的變種 從空間的對稱性來獲得一個 可以普遍應用於整個宇宙的時間概念 你可以把氣球上的每個小點都換成一個鐘錶 當氣球開始膨脹 這些鐘錶開始分別計時 既然所有的鐘表都隨着空間的膨脹而彼此遠離 而它們相對於彼此遠離的速度 有兩兩之間的間距不同而各不相同 那麼這樣的運動會不會就像 愛因斯坦的狹義相對論所說的那樣 讓這些鐘錶失去互相的同步性呢 如果是一個真實的氣球表面的鐘錶 確實會這樣 但如果把這個氣球的概念擴展到整個宇宙的膨脹 就不會 這裏的區別在於 相對論說的是 按照不同路徑和速度穿越空間的鐘表 它們的指針速度會不同 但是如果氣球代表了空間本身 每一個小時鐘都是粘在氣球表面上 一個相對於氣球固定的點 它本身並沒有穿越空間 所以它們才能按照完全一樣的快慢來運轉 這也就是爲什麼我們說 在宇宙大爆炸理論中 遙遠的星系遠離我們的速度 是可以超過光速的 因爲它們不是相對於空間在光速運動 而是空間本身膨脹的效應 讓它們看起來以超光速遠離我們 這個是不違反相對論的 當然 如果你攜帶着一塊手錶 以接近光速的速度穿越空間 那麼你的鐘表就會變慢 你所觀測到的宇宙年齡也會隨之發生變化 不過別忘了 當天文學家們探討宇宙年齡的時候 討論的是放置整個宇宙而被平均掉的總的時間 前面我們說到的宇宙微波背景輻射的均勻 它本身就可以用來檢驗 我們是不是在穿越空間高速運動 一旦你處於相對於空間的高速運動中 你就不會再觀測到這種對稱性或者不變性了 這就好比向着我們急馳而來的警車上的警笛聲會變得尖銳 而在飛快的離我們遠去的時候 警笛聲又會變得沉悶是一樣的 微波背景輻射也會這樣 如果你駕駛高速的飛船飛行在宇宙空間中 那麼迎面而來的微波的波峯波谷 就會與一個比較高的頻率快速更迭 而從你後面追過來的微波的波峯和波谷 它們迭代的頻率就會低一些 更高頻率的微波意味着更高的輻射溫度 所以你會感到你面前的輻射溫度 比你背後的輻射溫度要高一些 而實際的測量結果表明 在我們地球這艘大的飛船上 天文學家們確實發現 某一個方向上的微波背景輻射要更熱一些 而相反方向的微波背景輻射要更冷一些 這個事實恰恰就告訴我們 不僅是地球繞着太陽轉 太陽繞着星系中心轉 而是整個銀河系都以一個超出宇宙膨脹速度的 微小速度向着長蛇星座的方向運動 其實知道這個知識點的時候 真的是解開了我心裏長久以來的一個疑惑 就是當我們說星系在運動的時候 它是相對於誰在運動呢 應該是相對於空間運動的吧 而我們沒有辦法測量那個所謂的空間 它到底在哪啊 原來我們可以通過宇宙微波背景輻射 在不同方向上的微小差異 來探測到我們相對於空間的運動 這也真的是挺神奇的啊 剛纔我們說了一句話 這裏要再強調一下 整個銀河系以一個速度向着長蛇星座的方向運動 這個速度是一個略微超出宇宙膨脹速度的微小速度 這是什麼意思呢 記得我們說的那個氣球吧 氣球吹起來的速度就是整個宇宙膨脹的速度 或者說是空間膨脹的速度 如果我們相對於宇宙空間本身膨脹的速度爲0 那也就意味着 我們和其他星系彼此遠離 完全就因爲是空間本身的膨脹 就像是那個氣球被吹大一樣 而我們呢 就是被焊死在氣球表面上的小點 那如果我們這個小點 自己要相對於這個氣球表面有移動的話 這個移動速度就是剛纔我們說的 略微超出宇宙膨脹速度的微小速度了 天文學家們需要先調整一下 這個相對較小的速度 對微波背景輻射的影響 之後才能清楚地看到 宇宙微波背景輻射的均勻性 換句話說 我們要扣除掉那個 由於我們相對於空間本身運動 所帶來的微波背景輻射的前和後的差異 扣掉它之後 再去觀察宇宙中不同方向的微波背景輻射 在這樣的操作之後 我們就發現 天空中各個位置的溫度其實是非常一致的 正是這種均勻性和位置之間的對稱性 讓我們在描述整個宇宙時 好了 讓我們回答最開始的問題 如果有人問你 宇宙它整體上會是個什麼形狀 你會怎麼回答呢 你知道我們住在一個小行星上 這顆小行星繞着一顆不起眼的恆星運動 而我們的太陽系 不過是整個銀河系邊緣的一個星系 相比於其他千百萬個星系 沒有什麼特別的地方 那麼你怎樣才能對整個宇宙的形狀 有一個認識呢 這個時候 對稱性就可以被拿來使用了 如果你願意採納科學家們一直持有的信念 也就是在大尺度上 宇宙中所有的位置和所有的方向 都是相對於彼此對稱的 那你就能回答這個問題 要知道絕大多數的形狀 都不能滿足這個對稱性的標準 它們總是有某個區域和其他的地方不一樣 比如說梨形是上窄下寬 雞蛋形是兩頭尖中間粗 這些形狀雖然也有某種對稱性 但都不是完全的對稱性 那你肯定又想到了球形對不對 答案是不對 因爲如果宇宙是一個球形 那麼它的球心處和邊緣處也是不一樣的 正如我們剛纔說的氣球一樣 氣球裏面的中心點是最特殊的 而在用這個比喻的時候 我也一再跟你強調 我們關注的點不是在於整個的氣球 而是氣球的二維表面 在那個表面上 任何一個點和其他的點相比都不特殊 所有的點都是對稱的 而宇宙顯然不是一個二維平面了 所以根據對稱性原理 它應該是一個三維的球面 注意啊 不是一個三維的球體 是一個三維的球面 這個球面的樣子我們很難用大腦想象 這麼說吧 如果一個球體是有很多很多點構成的 那麼你從內部隨機的一個點出發 朝着一個方向走 最終你總會碰到球體的表面 那堵牆壁 然後你就走不動了 而在一個三維的球面上 你在任何一個點朝着一個方向不停的走 最終會回到出發點 這個就像你在地球這個二維球面上 任意一個點出發最終會回到原點 是一個意思 好 三維球面是我們的一個選項 但它也不是唯一的選項 你可以再想象一個無限寬 無限長的橡膠的薄片 它有點彎曲 但也沒有完全彎曲 隨着這個薄片的擴展 我們還是能得到完整的對稱性 我們把這個薄片的形狀從二維變成三維 你就得到了一個無限延伸的 但是沒有彎曲的宇宙 和前面彎曲成三維球面的宇宙不同 科學家們把它稱爲平坦的宇宙 在這個宇宙裏 你永遠也走不到邊緣 但是也永遠回不到原點 那既然沒有邊緣 也就沒有辦法形容它是一個什麼形狀了 無限平坦的宇宙和三維球面 都可以幫我們迴避一個問題 就是空間的邊界之外有什麼 如果你走進空間的邊界會發生什麼 那如果空間沒有邊界 這些問題就沒有意義 只不過這二者之間有個區別 球面的三維邊界是被完全封閉起來的 而無限延展的平坦的宇宙 它的邊界不是自己捲起來 而是無限的向外延伸 對稱的宇宙還有另外一種可能的形狀 它跟三維球面類似 你沒有辦法把它畫出來 甚至你也沒有辦法簡單的把它想象出來 但是我們還是可以用它的二維版本來做一個說明 在這個宇宙形狀的二維簡化版本里 你可以想象一個薯片 這個薯片也是無限大的 這種形狀呢 你從一個方向看 它是朝下彎的 而從另一個形狀看呢 它是朝上彎的 一般叫做馬鞍面 它是一種反球面 球面是高度對稱的向外膨脹 而馬鞍面則是高度對稱的向內凹陷 注意我們這裏說的膨脹和凹陷 都是二維的簡化版本啊 那嚴謹一點 回到數學領域呢 我們就可以說 球面具有正曲率 向外膨脹 馬鞍面具有負曲率 向內凹陷 而平直空間的曲率爲0 好了恭喜你 物理學界對宇宙形狀的所有猜想 你已經全都瞭解了 這些不是咱們老百姓嘮嗑 瞎猜啊 而是當前主流學界的意見 物理學家已經證明 在對稱性的要求下 也就是當我們要求所有位置和方向 都沒有特殊性 在這個要求下 正曲率的三維球面 負曲率的三維馬鞍面 還有零曲率的三維平坦空間 這三者已經窮盡了所有的可能 宇宙的形狀只能是這三者之一 仔細想想還真的是很神奇啊 整個宇宙的形狀 本該有無限種可能 但是藉助於對稱性的強大威力 科學家也排除了絕大部分的可能性 但是對稱性 也只能把我們送到這一步了 這三者到底哪個纔是宇宙真正的形狀 我們得求助於廣義相對論 愛因斯坦方程 把宇宙中所有物質和能量作爲輸入 通過計算 能夠得到空間曲率的大小 是正是負還是零 但這裏的困難之處就在於 天文學家們用了幾十年 都沒有辦法最終確定這個輸入的數值 也就是宇宙中物質和能量實際有多少 而所有物質和能量的加總 除以整個空間的大小 我們就得到一個非常關鍵的數字 叫做臨界密度 如果宇宙中所有的物質和能量 均勻地分佈於整個太空 而且它們的密度大於所謂的臨界密度 從愛因斯坦方程中得到的空間曲率 就會是正數 如果小於這個臨界密度 空間曲率就會是負數 如果正好等於這個數字 那空間曲率就是零 目前最好的數據傾向於認爲 空間曲率就是零 也就是說在那三種形狀裏 宇宙更可能是平坦的 這個對應的物質密度是多少呢 大概是每立方米中 0.000000有23個零 也就是10的-23次方克 換個說法 就是每一立方米中 大概只有五個氫原子 這個數字是非常空曠的 你可以想象 地球上月球上木星上 所有你能想得到的地方 密度都遠遠大於這個數字 但是別忘了 這個數字會被更大的空曠給平均掉 在星系與星系之間 是廣袤到無法想象的宇宙空間 那裏真的什麼都沒有 但是比這個臨界密度的空曠 更讓人感到怪異的是 宇宙的曲率 爲什麼這麼接近於零呢 其實它可以是正的或者負的 任何一個值 但偏偏幾乎爲零 我們很難相信 這就是一個單純的巧合 如果你覺得巧合就是巧合嘛 那麼你的好奇心 就不足以支撐你成爲一個物理學家 在挖掘這個問題的道路上 物理學家們又發現了很多了不起的事情 那這又是一個非常大的話題 我們就改天再展開吧 最後給你總結一下吧 如果我們亂猜 那麼宇宙的形狀可以是任意的樣子 而正是對稱性這個法則 才把我們帶到了這麼具體的幾個選項面前 關於對稱性的思考 已經成爲了現代宇宙學中不可或缺的部分 它讓宇宙整體的時間變得有意義 也決定了宇宙的整體形狀 甚至影響了廣義相對論的理論框架 我們所知的一切都依賴於對稱性 當我們從浩瀚的宇宙進入到微觀的量子世界 也離不開對稱性的掌控 對稱性就像一條神祕的金線 串聯起微觀的原子和浩瀚的宇宙 它讓物理定律具有普世性 讓地球上的物理定律和宇宙中任何一個地方的物理定律都保持高度一致 讓我們整個宇宙從無序中歸於有序 每一次對對稱性的追問 也都在拓展我們人類認知的邊界 也讓我們距離宇宙的終極祕密更近一步