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宇宙的边界在哪里?如果它存在,边外头究竟是什么?

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宇宙有边吗?边外头又是什么?这个问题听着像孩子随口说的,却难住了不少厉害人物,不管是亚里士多德或者爱因斯坦,再到霍金和现在研究弦理论的科学家,都没给出过所有人都信服的答案。它不只是天文学家要琢磨的事儿,更是咱们想知道自己在宇宙里算什么时,绕不开的一个坎儿。
先把两个词掰清楚:能看见的宇宙,和真整个儿的宇宙。这俩不是一回事,弄混了就容易越想越乱。




一个半径约465亿光年的球形时空,框住了我们的视界。天文学家给这个范围起了个名,叫可观测宇宙。宇宙年龄大概138亿年,在这段时间里,星系的光能跑到地球,所以我们能看见它们。但宇宙空间自己在超光速膨胀,超越这个距离的星系,光永远到不了我们这儿。我们光锥之外,就是这些星系的位置,对我们来说,它们不算可观测的物理实在,更像数学上肯定存在的延伸,就像地图上没画出来,但确实存在的地方。
我总觉得,这种看得见和存在的割裂,特别像我们用手机拍风景,镜头框住的是能看见的,可镜头外的风景,不是不存在,只是没进我们的画面里。有时候拍着拍着会想,说不定也有谁在用更大的镜头拍宇宙,只是我们没进人家的画面里。那这个能看见的泡泡,是不是就是宇宙的全部呢?基本不可能。宇宙微波背景辐射的观测结果,告诉了我们一个关键信息:最大尺度上,宇宙特别均匀、特别平坦。这意思就是,我们看见的这部分宇宙,可能只是某个更大、甚至没边儿的整体里,露出来的冰山一角。要是宇宙真没边,那边界这词儿本身就没意义了,可没边这事儿,比想一个具体的边界还让人费脑子。




宇宙学家为了解释宇宙的平坦和均匀,提出了一个理论,暴胀理论。大爆炸之后极短的时间,大概10的负32次方秒,宇宙经历了一次指数级的超光速膨胀。这个膨胀过程,把原本皱巴巴、满是量子涨落的小空间,一下子吹成了巨大、平坦又光滑的宇宙。说简单点,就像把一个小皱纸团吹成了一个大气球,纸团上的褶皱都被撑开了。
前几天翻出小时候吹的肥皂泡,阳光底下五颜六色的,一个泡泡破了,另一个又冒出来。那咱们的宇宙会不会也像这样?在某个更大的空间里,一个泡泡宇宙灭了,另一个又冒出来,只是咱们感觉不到,因为人类就在泡泡里面,跟着泡泡一起胀大。暴胀理论还有更让人惊讶的点。1983年,物理学家安德烈·林德提出了一个更让人惊讶的模型,混沌暴胀,也叫永恒暴胀。这个模型里的宇宙,像一锅正在沸腾的元宇宙汤,不是大家想的那种手机里的元宇宙,是更根本的原始空间。空间里的某些随机区域,因为量子涨落,暴胀场会偶然跌到更低的能量状态,一个泡泡宇宙就这么形成了,比如现在这个。而其他区域还在咕嘟,接着暴胀,接着冒新的泡泡。




我们所在的这个直径930亿光年的宇宙,说不定只是无限大、永远在暴胀的元宇宙海洋里,一个特别小的泡泡。无数个和咱们像或不像的泡泡宇宙,在这个海洋里不断诞生、不断膨胀,它们之间被还在暴胀的空间隔开,永远碰不到,也永远看不见彼此。就像池塘里的水泡,各自飘着,再近也不会合到一起。
现在回到最开始的问题:要是这个泡泡有边界,那边界外头是啥?根据泡泡宇宙理论,这个泡泡的边外头,不是空的,是还在暴胀的元宇宙。一种被称为假真空的高能态,就是这个元宇宙的状态,它的能量密度推着暴胀一直进行下去。这个元宇宙的性质,可能跟我们的宇宙里的完全不一样,甚至没有熟悉的时间和空间。现在说的边界,不是一堵墙,是一道暴胀的事件视界,啥信息、啥东西都穿不过去。我们被困在自己的泡泡里,就像黑洞内部的观察者被困着一样,永远没法看到外头的海洋是什么样。




我觉得这事儿最有意思的不是有多少泡泡,而是每个泡泡里的规矩可能都不一样,咱们这儿光速是30万公里每秒,别的泡泡里说不定光跑得跟自行车似的慢,那里面要是有生命,说不定过一天就像过一年,也可能那里的原子根本没法稳定,连星星都没法形成。宇宙刚好能让星星、行星和生命存在,不是运气好,是咱们刚好生在能让人存在的地方,就像鱼刚好生在水里一样。还有个叫弦理论的东西,想把所有基本力和粒子都统一起来,它给边界之外提了个更震撼的说法,弦理论景观。这理论说,宇宙里的物理常数,比如电子质量、光速,甚至空间维度,不是固定的,是由宇宙在更高维度空间里蜷缩的方式决定的。不同的蜷缩方式,对应着10的500次方种甚至更多的假真空状态,每种状态可能就是一个有不同物理定律的宇宙。
结合永恒暴胀来看,每个泡泡宇宙形成时,都可能选了弦景观里的一种真空态。所以在元宇宙的海洋里,有的泡泡里光速更快,有的里没有原子,有的里空间是十维的,所以根本没法想象那种样子。现在的宇宙的参数刚好能让生命存在,不是什么安排,是人择原理,只有在能让生命存在的宇宙里,才会有人去琢磨宇宙边界在哪这个问题。




宇宙之外是什么,可能永远没有标准答案。因为受限于光速,受限于宇宙膨胀的规律,甚至受限于人类只能理解三维空间的大脑。多重宇宙、泡泡理论、弦景观,这些都是现在科学家用数学算出来的可能,就像古人猜地球是圆的一样,是用理性去碰那些看不见的东西。边界之外,可能是暴胀的海洋,可能是各种物理定律的试验场,也可能是无数个奇怪的宇宙在慢慢变化。也说不定,就像霍金说的乌龟塔,宇宙是套娃一样无限嵌套的,问之外本身就没意义。
有次煮面条,看着锅里的水咕嘟咕嘟冒气泡,突然想起永恒暴胀理论。那些气泡冒出来、变大、飘到水面破掉,多像宇宙的诞生和演化。说不定在元宇宙那个大锅里,我们这个宇宙就是其中一个刚冒出来没多久的气泡,还在慢慢变大,而锅里还有无数个这样的气泡,有的刚冒头,有的已经快要破掉,只是还不知道破掉之后会是什么。




上次跟朋友聊起这些,他皱着眉说想这些有啥用?又不能当饭吃。我没跟他争,只是指了指天上的月亮,几千年前,古人觉得月亮就是个亮盘子,不知道它是地球的卫星,也不知道上面没有嫦娥和玉兔。可现在我们能把探测器送上去,能知道月亮上的土壤是什么样的。说不定再过几百年,对于宇宙边界的了解,会比现在多得多。人对宇宙的好奇,从来不是为了当饭吃,而是为了弄明白自己在哪儿,为了知道自己不是孤单的,至少在对宇宙的追问上,所有人类都是一起的。

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