把手伸到宇宙外面年轻时的天真问题和目前的思
想象你处在一个房间里，如果你把手伸到墙外捞一把——假如你真有穿墙的本事，你就会捞到隔壁邻居家里去了。可是在爱因斯坦的理论中，空间是可以弯曲的，我们可以想象将你们家的任何一堵墙通过弯曲（的空间）和其对面的墙连接起来，这样就会发生一件怪事，当你的手从左边的墙伸出去的时候，它同时出现在右边的墙上，你捞到自家来了
由威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）观测到的宇宙微波背景辐射，这种微波可以看成是137亿年前宇宙大爆炸的遗迹之一。
在所有的自然科学中，宇宙学是最吸引公众的学科之一。康德说过：“有两种事物，我们愈是沉思，愈感到它们的崇高与神圣，愈是增加虔敬与信仰，这就是头顶上的星空和心中的道德律。”康德所指的星空，就是我们今天所说的宇宙。
在美国，大爆炸这个名词家喻户晓，因为大爆炸从1960年代以来被确立成现代宇宙学的规范。近年来，暗物质和暗能量也成为流行语，至少在公众科普媒体上是这样，虽然这些名词所对应的科学概念仍是宇宙学家们的热门研究对象。宇宙正在加速膨胀，如果宇宙一直这样加速膨胀下去，宇宙的未来就是死寂，这些信息的传播会引起越来越多的公众不安。
记得我最初接触到宇宙学的时候，我深刻怀疑大爆炸到底是不是我们对宇宙学的最终认识。作为学生的我当时想，我们凭什么就敢将我们目前掌握的物理学知识应用到无所不包的宇宙中去？我们凭什么假定在100亿年前宇宙中的物理学规律就像我们现在获得的那样，从而推测出宇宙即使在那个时候也是一直在膨胀着，所以宇宙肯定起源于一个大爆炸？我们怎么知道在我们目力所及之外就不存在更大的宇宙？
所有这些问题，随着我对物理学和宇宙学的认识不断深入，后来被我当做相当天真的问题。现在再回过头来看，有些问题并不那么天真，正是当下宇宙学家争论的一些问题。
对基本概念的信任
科学是实证的，也不仅仅是实证的。我们说科学是实证的，是说科学发端于实验和观测，得到理论预言，再通过实验和观测检验预言。科学不仅是实证的，因为一旦理论化，可以推出无限多个预言，我们不可能一一去检验这些预言，我们只能相信逻辑和数学结构的一致性使得科学成为一个整体。但是，一旦某一天其中一个推论被实验否定，我们就要改进科学本身。
宇宙学也是如此，宇宙学是科学延伸的极致，因为宇宙学的建立依赖于对规律的极端信任。举一个重要的例子我们就明白为什么是这样：通常天文尺度非常大，我们不可能用寻常的方法测量天文距离。天文距离的测量一般是两种，一种是通过三角关系测量，即所谓的视差。当距离非常大时，我们要借助第二种方法，即找到一种被认为是亮度固定的天体，然后通过表面的亮度决定这个天体距离我们多远：就像一支具有固有亮度的蜡烛一样，我们可以通过眼中看到的亮度确定它离我们有多远，亮度越是微弱，距离我们越远。第二种测量距离的方法含有两个假定，第一是给定的天体有固定的亮度，第二是表面亮度与距离平方成反比。当距离很大时，后一个假定并不能通过寻常的方法检验。我们反过来将第二个假定变成定义，由这个方法定义出来的距离叫视距离。
宇宙学的建立，就是需要我们对这些概念的信任，这样，我们就回答了我年轻时对宇宙学的第一个问题：我们能够相信物理学在遥远的距离之外和遥远的过去都是成立的吗？回答是，当然可以信任，虽然遥远的距离和遥远的过去本身的定义超出我们寻常的经验，但形成一个逻辑自洽的体系。除非这个体系出现不自洽，那时我们就得修改我们的理论，使之重新成为与观测吻合的自洽的体系。
宇宙为什么会有年龄
当我们说宇宙的年龄是137亿年左右时，我们用了宇宙在膨胀的知识。如果宇宙在过去一直在膨胀，那么追溯到过去的某个时刻，所有现在看起来很遥远的天体在那个时刻之间的距离都为零，这就是大爆炸发生的那一刻。
在得到137亿年这个具体数字的过程中，我们还假定了宇宙中不但含有物质，还含有所谓的暗能量。暗能量使得宇宙加速膨胀，当它主导宇宙的能量成分时，宇宙真的在加速膨胀，这是目前观测到的。当暗能量的密度远远低于物质密度时，宇宙由于万有引力的作用，膨胀是减速的。这样得出的宇宙年龄和我们关于天文学的一切知识都吻合，例如宇宙的年龄不能小于地球的年龄，不能小于我们所知的年龄最大的天体。地球的年龄大约是45亿年，而年龄最大的天体是球状星团，它们的年龄不低于120亿年。
大爆炸之前发生了什么
经常有人问，大爆炸之前宇宙是什么样子？现在流行的看法是，在物质产生之前，宇宙经过一个剧烈膨胀时期，叫暴涨时期。这个时期非常短，大约是10-30秒甚至更短。在这么短的时间内，宇宙在线性尺度上膨胀了1026倍。这个时期没有直接的观测证据，但有一些间接的证据，例如，宇宙中的很多结构，如星系等，都起源于那个时期的微弱的量子涨落。暴涨时期是科学研究的另一个范例，它的存在是通过间接的方法推测的，就像早期我们通过布朗运动推测原子分子的存在一样。很多人相信，在暴涨时期之前，时间不再存在，所以我们如果问“之前”，是没有意义的。
另一方面，研究暴涨时期的“之前”有物理意义。因为，即使时间不复存在，我们可以问取代时间的概念是什么。近年来关于量子引力的研究结果建议我们用抽象的代数来取代几何概念，就是说，不但时间不复存在，就是空间也不存在了，时间和空间只是某种抽象概念的近似，这种抽象概念无法用寻常的图像来解释，随着研究的深入，也许有一天我们能够找到它的间接证据，就像暴涨时期有间接证据一样。
在科学史上，经常会发生这样的事情，当我们将一个概念运用到极端时，这个概念被另一个更加准确的概念取代。例如，温度是一个宏观概念，当我们将这个概念应用到越来越小的体系时，我们会发现，温度会不再适用，而更加正确的概念是分子原子的运动。不过，我们现在还不能肯定暴涨之前时间和空间肯定消失了，因为还存在一些其他理论，如认为宇宙是一个周期的过程，暴涨发生之前宇宙也许是收缩的。
宇宙到底有多大？
接下来我们自然会问：宇宙到底有多大？首先我得澄清一个经常让很多人疑惑的问题，即宇宙在空间上的有限性。宇宙可以是无限的，也可以是有限的。疑惑往往产生在有限上，因为人们总是问，如果宇宙是有限的，那么会存在一个边界，这个边界之外是什么？换句话说，如果我走近这个边界，伸出手去捞一把，会捞到什么？其实解决这个问题很简单。想象你处在一个房间里，房子有四壁——不对，有六壁，如果你把手伸到墙外捞一把——假如你真的有穿墙的本事，你捞到隔壁邻居家里去了。可是在爱因斯坦的理论中，空间是可以弯曲的，我们可以想象将你们家的任何一堵墙和其对面的墙通过弯曲（的空间）连接起来，这样就会发生一件怪事，当你的手从左边的墙伸出去的时候，它同时出现在右边的墙上，你捞到自家来了。
好了，让我们接着问宇宙有多大这个问题。宇宙学观测的手段大多是通过电磁波的接收。电磁波的传播速度是有限的，所以，我们现在看到的天体是它过去的样子，越远的天体，我们看到的样子越老。既然宇宙有一个年龄，那么我们看到最远的天体就是最老的天体，不会超过137亿年。简单地换算成距离，我们现在看到的天体最远不过137亿光年。宇宙学家通常指的宇宙大小就是这个距离之内的宇宙。我们接着问，宇宙是否是有限的？目前没有这方面的证据，但有一派人认为宇宙就像一个有12面墙的房间，不过这个房间的每两对相对的面被粘合到一起，这就避开了外面还有邻居的问题。
有限还是无限
还有一个情况使得我们看到的最大的宇宙是有限的，不论我们等多久我们都只能看到有限的宇宙，这是因为，距离我们很远的天体由于宇宙膨胀的关系相对我们在退行，如果这个表面退行速度超过光速，我们就永远不会看到它们，这个极限距离叫视界。现在，由于暗能量的发现，宇宙非常可能有一个视界，不论我们等多久，我们永远不会看到超过一定距离之外的宇宙，更不会看到宇宙的全部。
这个可能性带来一个非常深刻的问题，也就是说，在这个距离之外的宇宙那些部分，即使是无限大的，对我们也不会产生任何影响，那么，我们有必要承认它们是存在的吗？这个问题看起来很奇怪，其实很自然。打一个非科学的比方，假如神鬼是存在的，但是他们的世界和我们的世界不存在任何交通关系，我们应该承认那个世界是存在的吗？从实证论的角度，我们完全可以说他们不存在，因为我们永远拿不到他们存在的证据。同样，视界之外的宇宙可能是不存在的，有一种理论的确认为这就是正确的答案，这个答案假定视界之内的宇宙形成一个逻辑封闭的体系：通常的物理因果关系在这个视界之内完全自给自足。
暴涨宇宙论还给出更多的可能，例如，存在许多虽然在空间上和我们的宇宙是联通的区域，但那些区域中的物理定律和我们这个区域完全不同。这种可能性是目前宇宙学家们争论的中心话题之一，涉及到很多深刻的物理问题。第一个问题当然是，既然物理定律是可变的，有没有超出这些物理定律之上更加普遍的定律，这些普遍定律决定类似我们的宇宙之内的物理定律，以及其他区域不同的定律？
一个可能的回答，就是弦论。但是，许多研究弦论的物理学家对这种说法很反感，因为一旦如此，我们的宇宙的物理定律就是很偶然的了，没有更加深刻的原因（爱因斯坦曾经希望物理定律可以由纯粹的逻辑来确定）。
还有一个问题涉及到我年轻时问过的一个天真问题：我们怎么知道宇宙间的其他区域的物理定律是不同的，如果我们不能直接或者间接观测那些区域？这样，尽管宇宙在某种意义上是多变的，甚至有着无限可能，可是从实证论的角度，我们却不能确定这些可能。以上讨论的多重宇宙的图像使得某些相信宗教的宇宙学家开始讨论上帝存在的可能。老实说，这种将宇宙学带出传统科学领域的现象让我担心，不过换个角度，这些现象的出现也表明，宇宙学又一次进入一个生机勃勃的发展时期。
（责任编辑 朱力远）
下一篇：没有了
相关文章：
