如果沿著一條直線飛行，宇宙盡頭會出現什麼？

空間和時間對我來說簡直令人難以置信。 感覺如果你沿着一條直線走,就可以永遠走下去。 是什麼會阻止你呢?一堵牆? 如果是這樣,牆的另一邊又是什麼? 相信大家都看過西遊記,孫悟空認爲自己翻筋斗到了天邊, 看到了支撐天的四根柱子,但實際上還是在如來的手掌心。 我們是不是可以這樣想, 人類就算能駕駛超光速飛船一直向前開, 也無法到達宇宙盡頭,就像孫悟空一樣絕望。 宇宙是一個浩瀚、奇妙而又神祕的地方。 從我們身處其中的視角來看, 我們可以向各個方向觀測到大約460億光年的範圍。 無論我們看向哪裏,都能看到一個充滿恆星和星系的宇宙, 但它們都是獨一無二的嗎? 有沒有可能,如果我們朝着一個方向看得足夠遠, 看到一個星系,那麼在相反的方向, 我們也能從不同的角度看到同一個星系? 宇宙真的會自我循環嗎? 如果我們沿着一條直線走得足夠遠,最終會回到起點嗎? 就像在地球表面沿着一個方向走足夠遠最終會回到原點一樣, 還是會有什麼東西阻止我們? 雖然聽起來有些荒謬,但答案是兩者皆是。 你可以永遠走下去,同時,也會有什麼東西阻止你。 關鍵在於理解膨脹的宇宙, 而宇宙膨脹本身就是所有概念中最令人費解的概念之一。 當我們仰望宇宙時,我們看到的並非天體現在的樣子。 從我們的視角來看,自宇宙大爆炸以來已經過去了138億年, 但我們看到的幾乎所有其他天體都比這年輕。 這是爲什麼呢? 宇宙大爆炸同時發生在宇宙的每一個角落, 如果我們伸出宇宙的任何其他位置, 同樣也會經歷138億年的時間。 但如果我們從那個位置觀察地球, 我們就必須考慮到我們看到的並非地球現在的樣子。 相反,我們看到的是光線從地球發出時地球的樣子, 我們看到的是地球的過去。 如果我們身處月球,我們看到的光線大約是1.3秒前的。 如果我們身處圍繞半人馬座阿爾法星運行的行星上, 我們看到的光線大約是4.3年前的。 而如果我們身處仙女座星系, 我們看到的光線大約是250萬年前的。 當我們從自身視角觀察遙遠物體時, 同樣的原理也在起作用, 我們看到的這些物體是光線發出時的樣子。 只不過,如果我們觀察的距離比月球、行星、 恆星和我們本星系群內的星系更遠, 就會有一個額外的因素在起作用, 光線傳播的空間正在膨脹。 20世紀發現宇宙正在膨脹, 這是我們對宇宙認知的一次重大革命。 遙遠星系距離我們越遠, 假設它不受我們自身引力的束縛, 其光線紅移的程度就越大, 也就是說,光波會被拉伸到更長的波長。 宇宙中有三種常見的原因會導致紅移, 當光源和觀測者彼此相對遠離時, 當發射的光線需要克服巨大的引力失警時, 或者當光線傳播過程中兩個物體之間的空間膨脹時。 雖然前兩種效應在短距離內可能很顯著, 但在最大的宇宙尺度上, 只有宇宙膨脹纔是最重要的因素。 宇宙正在膨脹這一事實之所以重要, 原因有很多, 尤其從宇宙學的角度來看更是如此。 它使我們能夠推斷出宇宙的演化史, 以及我們是如何從一個更熱、更稠密、更均勻、 膨脹速度更快的狀態演變而來的。 如果我們能夠測量膨脹率隨時間的變化, 我們就能推斷出構成宇宙的各種能量類型及其比例。 而且,如果我們既瞭解宇宙的膨脹方式, 又瞭解宇宙的組成成分, 我們就能預測它在遙遠的未來會如何膨脹, 以及我們最終的宇宙命運將會如何。 好吧,好吧,我知道了, 我彷彿聽到你在嘀咕, 但是,這和如果你永遠沿着直線穿梭於宇宙中會發生什麼有什麼關係呢? 我們很快就會講到這個問題, 但首先,我想讓你思考一下, 如果你在一個不膨脹而是靜止不變的宇宙中永遠沿着直線旅行, 你會面臨哪些選擇? 在一個靜態不變的宇宙中, 一切都取決於我們數學上所說的宇宙託鋪結構。 愛因斯坦廣義相對論帶來的偉大革命之一是, 人們意識到空間本身並非可以擁有直線構成的剛性, 絕對的三維網格來簡單描述。 相反,空間本身必然會因物質和能量的存在而彎曲。 在物質或能量高度密集的地方,空間區域更大, 而在物質和或能量低於平均水平甚至爲負質的地方, 則會出現負區域。 在廣義相對論中,我們所處的時空也可能具有整體結構。 我們的時空可以是正區域的,就像一個球體, 也可以是負區域的,就像一個馬鞍形, 或者可以是平坦的,即在最大的整體尺度上 既沒有正區域也沒有負區域。 雖然很容易理解正區域空間可以是有限且封閉的, 但要理解平坦空間也可以是有限且封閉的 則需要一些想象力,但事實確實如此。 爲了理解這一點,只需想象一個長長的直圓柱體, 然後將這個圓柱體彎曲成甜甜圈狀,直到兩端連接起來。 這種形狀,稱爲環面,既是空間平坦的, 又是有限且封閉的。 如果宇宙沒有膨脹,你可以想象只有兩種可能性。 宇宙可能是有限且封閉的,無論其區域如何, 如果你朝着一個方向走得足夠遠, 這僅僅意味着朝着一個方向走足夠長的時間, 你最終會回到起點。 即使空間本身在拓撲結構上很奇特, 比如像莫比烏斯帶或克萊因平那樣, 你也可以一直走下去,最終回到旅程的起點。 或者,宇宙可能是無限且開放的, 同樣,這與它的區域無關。 無論你朝着任何方向走多遠, 或者在旅途中花費多長時間, 你都會發現自己遇到的都是以前從未遇到過的新空間, 沒有什麼能阻止你前進, 但除了掉頭反向行走之外, 也沒有什麼能讓你回到起點。 我們用我們所知的所有方法觀察宇宙, 觀察其中的星系, 我們能夠繪製的星際氣體和 當粒子體、恆星、分子甚至大爆炸本身發出的輻射, 我們一直在尋找重複的模式, 希望找到證據表明宇宙在我們可觀測的尺度上可能是有限的。 但我們並沒有這麼幸運。 事實上,在整個宇宙中, 我們可以確信地說, 不存在重複的結構, 不存在某個方向上的物體與 另一個方向上的物體完全相同的區域, 甚至在最早的光線中也找不到在兩個不同區域完全相同的模式。 事實上, 我們唯一一次看到同一天體圓的多個圖像, 是在太空中存在巨大引力質量的情況下, 背景光源發出的光線被彎曲和扭曲成多條不同的路徑, 最終都能到達我們的眼睛。 雖然這種現象被稱爲強引力透鏡效應, 在光學和科學上都非同尋常, 但它僅限於天空中非常狹窄、 局部化的角度和區域。 但現在,我們不得不面對一個既重要又令人不安的現實, 宇宙並非靜止不變,而是在不斷膨脹。 然而,它不僅僅是在膨脹, 由於宇宙中充滿了物質和能量, 它在膨脹的同時也受到引力的作用。 至少從理論上講, 我們可以設想幾種可能性, 來推測這對我們遙遠的未來意味着什麼。 引力效應可能比目前的膨脹效應更強, 這意味着宇宙會膨脹一段時間, 達到最大尺寸,然後反向收縮, 最終可能像我們始於大爆炸一樣, 以大坍縮告終。 引力效應可能比目前的膨脹效應弱, 這意味着宇宙將永遠膨脹下去, 儘管膨脹速度可能會持續減慢。 引力效應和最初的膨脹效應可能完美平衡, 這意味着膨脹速度將趨近於零, 但永遠不會反轉或再次坍縮。 在二十世紀的大部分時間裏, 這三種可能性是宇宙學家們考慮的主要方案, 而測量宇宙膨脹速度和膨脹歷史的目的 正是爲了區分這些不同的可能性。 如果第一種情況描述了我們的現實, 那麼你無法永遠沿直線旅行, 因爲宇宙只存在有限的時間, 所以你會撞上一堵牆,一堵時間之牆。 你可以沿着這條直線旅行, 在宇宙完全坍縮之前回到起點, 但你可能只能享受短暫的時光。 如果第二種或第三種情況描述了我們的現實, 你最終能夠追上任何星系或天體, 即使是那些正在以極快速度遠離我們的星系。 隨着時間的推移,膨脹速度會持續下降, 越來越多的遙遠星系會首先進入視野, 最終會被沿着同一條直線旅行 足夠長時間的太空旅行者追上。 如果宇宙是無限的, 我們最終能夠追上任何東西。 如果宇宙是有限的, 我們最終能夠回到起點。 然而,這是一個巨大的然而, 這些情景都不能充分描述我們宇宙的實際膨脹方式。 實際上, 我們生活在一個由暗能量主導的宇宙中, 一種存在於時空結構中的能量形式, 它始終保持恆定的能量密度。 即使空間本身膨脹, 暗能量的密度也永遠不會下降。 因此,膨脹速度始終保持正值且有限。 這極大地改變了我們預期的命運。 這意味着如果你指向任何一個不受引力束縛的星系, 你會發現, 一旦它膨脹到距離我們一定距離之外, 我們就永遠無法追上它。 實際上, 無論我們旅行多久, 無論我們能夠達到多麼接近光速的速度, 它都會從我們的視野中消失。 令人遺憾的是, 這就是我們的答案。 如果你沿着直線旅行, 你可以在時間上永遠旅行下去, 但你只能到達可觀測宇宙的一小部分。 我們目前宇宙世界之外的一切, 超出我們目前可見範圍的一切, 都永遠無法到達。 事實上,如今, 所有距離超過180億光年的物體都已經無法到達。 這意味着, 在我們能夠觀測到的所有物體中, 只有大約6%的物體是我們有可能到達的。 每過一秒鐘, 就有成千上萬顆恆星被膨脹的宇宙 推過那個臨界邊界。 即使我們今天以光速出發前往它們, 它們也會從可到達變爲不可到達。 儘管宇宙的形狀、 須率和拓撲結構存在各種可能性, 但即使永遠沿着直線旅行, 也永遠無法回到起點。 以下事實綜合起來宇宙正在膨脹, 暗能量導致膨脹加速, 大爆炸已經過去了138億年, 宇宙在小於460億光年的尺度上 不會重複,也不是有限的。 這些事實確保我們永遠無法像 環繞地球那樣環繞宇宙。 在某種非常宏大的宇宙尺度上, 宇宙本質上可能是有限的, 但即使是這樣,我們也永遠無法知道。 雖然我們可以儘可能遠地, 儘可能快遞, 儘可能長時間地在太空中旅行, 但宇宙中的大部分物質已經 永遠超出了我們的能力範圍。 存在一個宇宙世界限制了我們 能夠穿越膨脹宇宙的距離, 對於目前距離超過約180億光年的物體, 它們實際上已經永遠消失在 我們的視野之外。 現代科學理論告訴我們, 宇宙一直在膨脹,膨脹速度很快, 遠超光速。 有人就會有這樣的疑問, 宇宙到底朝哪個方向膨脹, 宇宙的外面又是什麼呢? 事實上,不僅僅是如今的我們, 人類從古時候就開始思考類似這樣的問題了。 不要以爲古人的智慧不如現代人類, 事實上他們也很聰明的。 古人就曾用一個最簡單的假設 來思考宇宙的邊界問題。 一個弓箭手拿着一把弓和箭, 不斷朝前射箭,箭落下來之後, 在箭落下的地方撿起箭, 繼續朝前方射箭。 就這樣一直重複同樣的動作, 最終這個弓箭手會不會遇到 類似一堵牆的障礙物,阻礙他繼續射箭呢? 這堵牆就是古人們假想中的宇宙邊界。 如果存在這樣一堵牆, 那麼牆的另一邊是什麼呢? 古人就是用這樣樸素的思維模式 去思考宇宙的大小和邊緣問題的。 相信如今的很多人仍然會這樣思考問題。 就好比很多人一直弄不清楚, 如果一直朝着一個方向走下去, 最終會到達甚至穿越宇宙邊界嗎? 現代宇宙學告訴我們,答案是否定的。 因爲宇宙根本沒有所謂的邊, 宇宙是萬事萬物的統稱, 所以所有的東西都在宇宙的裏面, 根本沒有宇宙外面這種概念。 不過我相信很多人對這種解釋並不服氣, 這也很正常, 畢竟日常生活經驗告訴我們, 任何事物都有裏外之分, 有裏面就有外面, 不會存在只有裏面沒有外面的東西。 但生活經驗往往會害我們, 因爲生活在狹小空間裏的我們, 很容易形成一種固有思維模式, 會被眼前的所見所謂束縛住, 從而導致認知上的偏差。 比如說,假如你穿越到幾千年前的古代, 告訴古代人類地球是圓的, 你猜他們會有什麼反應? 肯定會以爲你是瘋子, 甚至是精神出了問題纔會說地球是圓的。 他們活了一輩子,看到的地球都是平的, 怎麼可能是圓的呢? 任何時代都有認知的侷限性, 這種侷限性是很難突破的, 我們也是一樣。 天文學家們通過對深空的不斷研究發現, 宇宙具有各相同性, 也就是說,無論在任何星球上, 無論朝哪個方向看, 宇宙的分佈基本上都是一樣的。 可觀測宇宙的直徑就是在這種理念下測量出來的, 以地球爲中心測量出來的, 直徑大約爲930億光年。 你可能會質疑, 拜託,地球怎麼可能是宇宙的直徑? 這也太搞笑了, 地球確實不是宇宙的直徑, 但這並不影響測量結果。 剛纔說了,宇宙具有各相同性, 意味着無論在任何地方測量, 得到的結構都是930億光年。 這說明了什麼? 說明宇宙並沒有中心, 但可以說宇宙處處是中心, 以任何地方爲中心, 測量的可觀測宇宙直徑都保持不變。 而這恰恰說明了一個事實, 宇宙是沒有邊的。 雖然更多的研究表明宇宙的大小是有限的, 但有限的宇宙並沒有邊, 也就是說宇宙是有限無邊的。 可以這樣形容我們不斷膨脹的宇宙, 把宇宙比作一個不斷膨脹的氣球表面。 注意,這裏說的是氣球表面, 而不是氣球本身。 我們就像在氣球表面爬行的螞蟻一樣, 螞蟻無論朝哪個方向爬行, 對於它來講都不可能爬到氣球的邊, 因爲氣球表面根本就沒有邊嘛, 沒有盡頭。 而且在螞蟻眼裏, 無論朝哪個方向看, 看到的都大同小異, 沒有什麼區別, 這實際上就是剛纔所說的各項同性。 退一萬步講, 即便是宇宙有邊, 因爲宇宙一直在超光速膨脹, 而我們的速度又不可能達到光速, 也就不可能到宇宙的邊緣。 實際上,我們的宇宙空間並不是平坦的, 不是一成不變的。 根據愛因斯坦的廣義相對論, 我們所在的四維時空可謂彈性十足, 就像一塊彈性布料那樣, 可以伸縮、扭曲、拉扯, 任何物體都可以如此影響周圍的時空結構。 這就意味着, 你所認爲的朝着一個方向飛行, 實際上只是沿着彎曲的時空坐測地線運動, 只是因爲你身在其中, 根本感覺不到而已。 這就意味着, 如果一直朝着你認爲的一個方向飛下去, 最終你很有可能回到原點, 也就是你的出發點, 而不會到達宇宙的邊。 再者,我們本身就是宇宙的一部分, 是四維時空的一部分, 這意味着我們到達的任何地方都屬於宇宙, 都是四維時空。 假設我們來到了宇宙的外面, 意味着那裏不是宇宙, 但我們本身就屬於宇宙, 這就前後矛盾了。 當然,幾千年以來的固有思維是很難擺脫的, 我們很難想象也很難接受一個只有裏面、 沒有外面的宇宙, 很難接受有限的宇宙卻沒有邊的事實, 也總會強迫自己去思考宇宙外面到底是什麼。 這類問題, 比如說宇宙誕生於138億年前的起點, 那麼宇宙誕生之前又是什麼呢? 從現代物理學角度來講, 這種問題沒有實際意義, 因爲時間和空間都是隨着宇宙大爆炸才誕生的, 沒有時間概念又哪來的之前呢? 但我知道很多人很難接受這種答案, 看起來更像是玩文字遊戲, 好像量子力學給了我們一線光明, 讓我們宇宙大爆炸之前到底是什麼, 雖然仍然是猜測, 但也能給我們一些啓發。 量子力學認爲, 宇宙大爆炸並非誕生於無中生有, 起點之前一直存在着一種混沌狀態, 用科學術語來講就是 到處充滿量子掌握的真空狀態, 虛粒子對可以隨機衍生出來, 然後瞬間湮滅。 不確定性原理告訴我們, 某些虛粒子對有一定幾率不會湮滅, 這就是起點形成的基礎。 雖然這種幾率很低, 但根據量子力學, 幾率再低也總是會發生, 那麼宇宙會是無限的嗎? 古魯馬哲學家盧克萊修 曾經提出過這樣一種可能性, 他認爲如果宇宙有限, 那麼只要朝着一個方向前進, 就早晚會走到盡頭, 到時你只要向前扔出手裏的長矛, 就能證明宇宙究竟是有限的, 還是無限的了。 如果長矛被擋住或是彈回來, 那就說明宇宙是有限的, 儘管很大,但它還是被一堵無形之牆 圈在了固定的範圍之內。 反之,如果長矛繼續飛行, 則證明宇宙邊緣之外 還存在其他未知的空間。 這也就證明了 宇宙是無限且沒有盡頭的, 而在他看來,宇宙的模樣更傾向於後者。 從邏輯上講, 盧克萊修的觀點似乎十分合理, 然而細想之下你就會發現 他的想法其實還是有邏輯缺陷的, 因爲投出的長矛 除了彈回和繼續飛行之外, 還可能存在第三種狀態, 那就是原地消失。 首先,在宇宙之外, 質量守恆還會否認顛之不破的真理嗎? 如果外面的一切 都不再遵循我們所瞭解的物理規則, 甚至屬於其他維度的話, 我們又該如何去理解那隻消失的長矛 和眼前這片全新的宇宙呢? 當然,也有人認爲宇宙是有限但無邊的, 它就像一個巨大的球體, 而我們只是它表面上一粒微不足道的灰塵。 在這裏, 無論拋出的長矛飛往哪個方向, 最終它都會回到最初的起點, 並一直如此循環往復下去。 就像生活在地球上的我們, 只能選擇前進的方向, 卻根本找不到盡頭。 然而,如果宇宙真是這樣一個球, 那我們又該怎樣證明這個球體真的存在呢? 或許,對於人類來說, 探究宇宙是否有限 本身就是件沒有意義的事情吧?