大思考：宇宙的边缘，如果有人生活在时空的尽头,他将看到什么?

一个看似简单却极具哲学深度的问题,近日在知名科普专栏《Starts With A Bang》引发了热烈讨论。

读者杰森·穆尔黑德（Jason Moorhead）提出了这样一个设想：是否存在这样一个星系，它足够靠近时空的“外部边缘”，以至于生活在那里的观察者，向某个特定方向望去时，看到的不再是“不可观测宇宙”，而是宇宙本身的边界？这个问题，触及了宇宙学中最深邃、也最令人着迷的未解之谜之一。

我们所熟知的宇宙：均匀、平坦，且没有边缘

要回答这个问题，首先必须理解我们目前所观测到的宇宙，是一幅怎样的图景。

宇宙膨胀的视觉历史包括被称为大爆炸的高温高密度状态，以及随后宇宙结构的生长和形成。包括轻元素和宇宙微波背景辐射观测在内的所有数据都表明，只有大爆炸才能解释我们所观测到的一切。随着宇宙的膨胀，它也在冷却，这使得离子、中性原子，以及最终的分子、气体云、恒星，乃至星系得以形成。图片来源：NASA/CXC/M. Weiss

天文学家们的理论基础，建立在三大支柱之上：爱因斯坦的广义相对论、宇宙的各向同性（无论朝哪个方向看，宇宙的整体性质都相同），以及宇宙的均匀性（在空间中任何位置，密度、温度、组成都大致相同）。这三大原则共同表明，宇宙中不应存在某个特别寒冷、空旷、炙热或致密的区域，也不应存在某种特定的整体方向性。

观测数据也印证了这一点。宇宙大爆炸留下的最古老光线——宇宙微波背景辐射（CMB），在各个方向上的温度均匀达到了2.725K，偏差幅度仅有0.003%左右。

目前人类能够观测到的宇宙范围，半径约460亿光年，这一极限由光速的有限性、宇宙的有限年龄，以及宇宙自大爆炸以来的膨胀幅度共同决定。测量数据显示,宇宙的空间曲率极其接近于零，如果宇宙确实存在正曲率或负曲率，其曲率半径至少也要达到可观测宇宙范围的400倍以上。

本次从詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的GLASS早期发布科学计划中选取的55个星系涵盖了不同的红移和质量范围。这有助于我们了解星系在不同质量和宇宙演化阶段呈现出的形状，揭示了一些质量巨大、形成时间极早但演化程度很高的星系。然而，只有在宇宙演化后期，大约从5.5亿年前开始，几乎所有星系才开始拥有大量的尘埃；在此之前，尘埃含量变化不定，一些星系已经拥有丰富的尘埃，而另一些星系，特别是那些最暗的星系，则几乎没有尘埃的迹象。图片来源：C. Jacobs、K. Glazebrook 等人，arXiv:2208.06516，2022

综合这些证据，天文学家可以相当确定地得出结论：在我们可观测的宇宙范围内，并不存在任何“边缘”。

暴涨理论：真正的边界或许另有所在

宇宙微波背景辐射的波动最早由COBE在20世纪90年代精确测量，随后WMAP在21世纪初和普朗克卫星（上图）在2010年代进一步提升了测量精度。这张图像蕴含着大量关于早期宇宙的信息，包括其组成、年龄和演化历史。这些波动幅度仅为几十到几百微开尔文。在大宇宙尺度上，由于数据点数量有限，误差范围非常大，凸显了其固有的巨大不确定性。图片来源：欧洲航天局和普朗克合作组织

然而，这并不意味着宇宙的“边界”这一概念完全无从谈起，答案，藏在大爆炸之前的那段历史之中。

现有理论指出，在那场炙热、致密的大爆炸发生之前，宇宙经历了一个被称为“暴胀”（cosmic inflation）的前身状态。在那一阶段，宇宙的能量并非以物质、辐射等常见形式存在，而是以一种弥漫于空间本身结构之中的“场能量”形式存在——这种能量密度恒定不变，即便空间本身在急速膨胀、不断创生新的空间，这种能量密度也丝毫不会被稀释。

正是这种独特性质，导致暴胀阶段的空间膨胀速度极为惊人：每隔大约10的负35次方秒，空间就会在三个维度上各自翻倍。由于量子场的本质是概率性的波函数，而非经典意义上的“小球”，宇宙中的不同区域会各自随机演化——有些区域的场会滚落至势能最低点，从而触发一场热大爆炸；而周围环绕的区域，则可能继续维持在暴胀状态之中。

这一情景被称为“永恒暴胀”（eternal inflation），它几乎是宇宙学模型中难以避免的必然结果。由于暴胀区域的能量密度恒定不变，而发生大爆炸的“泡泡宇宙”内部能量密度会随膨胀迅速降低，两者的膨胀速率差异，将持续把这些“泡泡宇宙”彼此推开——这也意味着，任何两个各自经历大爆炸的区域，永远不会发生碰撞或产生交集。

边缘之外：一片绝对的虚空,以及一道温度信号

冷热斑的强度及其尺度表明了宇宙的曲率。就我们目前的测量能力而言，宇宙是完全平坦的。重子声波振荡和宇宙微波背景辐射（CMB）相结合，提供了约束宇宙曲率的最佳方法，综合精度可达0.4%。就我们目前的测量能力而言，宇宙在空间上与平坦的宇宙无法区分。图片来源：Smoot宇宙学小组/LBL

如果这一理论图景确实成立，那么一个真正生活在这类“边缘”附近的观察者,他所看到的景象，将与我们熟悉的宇宙截然不同。

答案令人略感沮丧：那将是一道极其突兀的边界。在抵达边界之前，观察者所看到的一切，依然是均匀且各向同性的宇宙景象，但越过那道边界之后，等待他的将是彻彻底底的虚无。

此图按比例展示了时空在等时间间隔内如何演化/膨胀，假设宇宙主要由物质、辐射或空间本身固有的能量构成（例如，在暴胀或暗能量主导时期）。最底部的情景对应于暗能量（目前）和暴胀（早期）共同作用下的指数膨胀。需要注意的是，并非所有情况下都能将膨胀简单地理解为“现有空间的拉伸”或“新空间的产生”。图片来源：E. Siegel/《超越银河系》

不过，这片虚空并非完全无法探测。文章指出，如果观察者能够建造出足够灵敏的探测设备，理论上仍能捕捉到一种被称为“昂鲁辐射”（Unruh radiation）的微弱信号,这种辐射源自暴胀区域中强烈的场能量本身。

我们通常认为宇宙是从一段早期的宇宙膨胀期演化而来，大爆炸发生在宇宙膨胀区域停止膨胀并转变为以物质和辐射为主的区域。然而，在其他区域，膨胀会无限期地持续下去，从而产生其他的“婴儿宇宙”（或称“气泡宇宙”），这些宇宙的性质和条件可能与我们自己的宇宙截然不同。图片来源：卡夫利IMPU

在我们当下这个由暗能量主导的宇宙中，这种辐射的温度极其微弱,大约仅有10的负30次方K左右，远远无法在CMB等更强背景噪声的干扰下被有效探测到。但在仍处于暴胀状态的区域,这道“空洞”边界处所呈现的辐射温度，理论上可达约100K左右——这一温度还会因宇宙膨胀而被进一步拉伸稀释，具体数值将随红移程度的不同而发生变化。

这也意味着，在这片椭圆形的“虚空”区域中，辐射温度会呈现出一种独特的梯度分布：越靠近空洞中心，温度越高，甚至可能超过我们所熟知的CMB温度，而越靠近椭圆边缘，温度则会逐渐回落，直至恢复到我们熟悉的CMB温度与常规宇宙结构。

这道独特的温度信号，正是暴胀理论所预言的、真正意义上宇宙边界所具备的“身份标记”。尽管我们自身显然并不处于这样一个边缘附近,但这一理论推演,依然为人类理解宇宙的终极形态与边界，提供了一幅既严谨又充满想象力的图景。