宇宙之外到底是什么?宇宙是无限延伸,还是在某处戛然而止?如果它真有一道边缘,人类走到那里,又会看到怎样的景象?
当人们问出“宇宙之外是什么”时,物理学家往往会略带遗憾地回答:这个问题在逻辑上可能是“非法”的。要弄清其中的缘由,得先从已经掌握的事实说起。
今天的科学告诉我们,宇宙大约在140亿年前有一个开端,从那时起一直在膨胀。按照直觉,一个不断膨胀的东西总该有个边缘。从某种意义上说,它确实有。
关键在于,信息的传播速度不能超过光速。因此,我们只能看到宇宙中那些光在过去140亿年里来得及抵达地球的部分。
向四周望去,我们看到的是一个以自己为中心的球体,也就是“可观测宇宙”。它并非宇宙的全部,而是由光速划定的一道“视界”,人类目力所及的范围,被物理定律牢牢限定在这个球体之内。
情况还要更复杂一些。由于宇宙一直在膨胀,那些光芒至今仍能被我们看到的最遥远天体,此刻离我们其实已有约450亿光年。
所以,可观测宇宙是一个半径约450亿光年的球体,更细致的估算常写作约465亿光年,对应直径约930亿光年。这个范围里大约有2000亿个星系,每个星系又包含数千亿颗恒星。
所以对我们来说,宇宙确实有一个边缘:向远处看,其实就是在回望过去,一直看到再也没有“过去”可看为止。这道边缘与其说是空间上的墙壁,不如说是时间上的尽头。
它标记的只是光能走多远、时间有多久,而不是宇宙本身在哪里结束,从这个意义上讲,它并没有多少实际意义。
真实的宇宙肯定比我们能看到的部分更大,问题是究竟大多少。可能性只有两种:要么宇宙极其巨大,但终究有限;要么它真正无限。
这两个答案听上去都很简单,可只要稍微往下追问,任何一个都会把人带进与日常经验完全相悖的领域,让习惯了有头有尾的大脑无所适从。
有限的宇宙意味着,假如你想用冰淇淋把它填满,理论上是做得到的。所需的冰淇淋多到难以想象,但数量终究有限。
麻烦随之而来:这样的宇宙似乎应该有一道边缘,一堵空间在此终结的“宇宙之墙”。而只要存在墙,人们自然就会追问,墙的另一边是什么。
可宇宙按定义就是“存在的一切”,在“一切”之外怎么还会有东西?在我们的直觉里,任何事物都该有边界,边界之外必然还有空间。
这种常识是人类在漫长演化中形成的,宇宙的本质却可能恰恰在挑战它。“外面”本身就是一个需要用空间和时间来定义的概念,而空间和时间,正是宇宙本身的组成部分。
好在物理学有一个“取巧”的出路:宇宙可以没有边界,却依然只需有限的冰淇淋就能填满。想象一个橙子和一只非常小的蚂蚁。
蚂蚁只能看到橙皮上很小的一块,就像我们只能看到宇宙中很小的一部分。但如果蚂蚁一直往前走,它最终会绕橙子一整圈,回到出发的地方。
橙皮的面积并不是无限的,但它也没有边界,蚂蚁无论走多久都撞不上一堵墙。宇宙当然不是橙皮,却可能与之非常相似:它也许不是普通的球面,而是一个“超球面”,即三维空间自身卷曲、首尾闭合。
遗憾的是,人脑根本无法把这种形状真正画在脑海里,我们只能借助二维的比喻去揣摩它。
但要点很清楚:超球面没有边界,也没有“外面”。从我们这些“人类蚂蚁”的视角看,整个三维空间就像那层橙皮。
如果你乘坐飞船沿着一条直线一直飞下去,足够久之后,你会从相反的方向回到起点。在这样的宇宙里,“宇宙之外是什么”这个问题本身就失去了意义,因为根本不存在可供站立的“外面”。
那么,宇宙到底是不是这样弯曲的?几何学提供了一种检验思路。
在平坦的纸面上,三角形的内角和恰好是180度;画在球面上,内角和会大于180度。科学家借助来自宇宙早期的古老光线,测量了极大尺度上的空间几何。
到目前为止,结果显示宇宙在误差范围内是平坦的。
这有两种解读。一种是宇宙真的平坦;另一种是它大得惊人,弯曲程度微小到无法察觉,就像站在地面上的人会觉得大地是平的一样。如果宇宙确实平坦,又没有其他特殊的结构,那么最简单的推论就是:它在各个方向上无限延伸,永远没有尽头。
无限的宇宙同样让人头疼。如果它现在是无限的,那么它就从来没有过有限的时候,哪怕在大爆炸的那一刻,它也已经是无限的。所谓大爆炸,并不是在某一个点上发生的爆炸,而是在所有地方同时发生的事件,没有中心,也没有一个可以从外面观看的位置。
更让人困惑的是,大爆炸以来宇宙一直在膨胀。一个无限、无处不在的东西,怎么还能变得更大?
答案是,宇宙膨胀指的只是星系之间的距离随时间不断增大。即使空间是无限的,它内部的距离依然可以拉长,无限也能“变得更大”。这就是无限带来的悖论。
而无限还会更加怪异。假如你乘飞船沿直线一直前进,会不断发现新的星系、恒星和行星,遇见新的奇观与怪事,也许还会碰上外星人,以及比想象更奇特的生命形式。
但在极其漫长的旅程之后,你也许会遇到宇宙中最特别的东西:你自己,一个与此刻正在读这篇文章的你一模一样的复制品。
这怎么可能?因为存在的一切都由有限种类的粒子构成,而有限种类的粒子只能以有限种方式组合。
这个数字也许大到近乎无限,但它终究不是真正的无限。既然构建事物的方式有限,而空间无限,并且在所有方向上永远充满物质,那么纯粹出于偶然,相同的组合就很可能一再出现。
不过,某件事可能发生,并不意味着它一定会发生。也许宇宙无限延伸,但无尽重复的只是那些平淡无奇的东西,比如稀薄的气体和沉寂的岩石;也许在整个宇宙中,真的只有一个你。无限提供的只是舞台,舞台上会上演什么,并没有任何保证。
但如果物理定律处处相同,那么在极其遥远的地方,气体同样可能凝聚成恒星和行星,原始的遗传信息可能从化学反应中诞生,进而形成细胞和动物,以极不可能的方式一路演化,最终出现学会用文字和影像分享知识的猿类。
这件事至少已经发生过一次,所以它的概率不为零。
即使此刻另一个你恰好也在读这篇文章的概率几乎为零,在无限的宇宙中,“几乎为零”累积起来,依然意味着一个巨大的数量。遗憾的是,你们永远不会相遇。“几乎为零”终究意味着概率小得难以想象,此刻的地球本身就是一个极不可能的结果。
要找到第二个完全相同的地球,你得旅行到极其遥远的地方:大约是可观测宇宙尺寸的10^(10^29)倍,也就是说,10的指数本身就是1后面跟着29个零。这样的距离远到几乎等同于“永远到不了”,任何飞船、任何文明,都不可能跨越它。
讨论到这里就该停下了。这些设想在理论上或许成立,但已经进入科学哲学的范畴,目前都无法检验,更无法证明。
如果宇宙是无限的,我们将永远无从得知;如果它是一个闭合的超球面,“外面”同样无从谈起。关于宇宙之外的种种说法,最终都只能停留在猜测的层面。
人们当然可以继续想象:也许所谓的“外面”是某个更高阶文明的服务器硬盘,也许是10维时空中的一次涟漪,也许是某种我们的感官和逻辑完全无法触及的真实。
这些想法各有趣味,却没有一个能被观测证实,它们更像是人类面对未知时,用有限的大脑为无限编织的故事。
现实是,对我们而言,宇宙是有限的,而且有边缘,我们也能看到这道边缘,那是时间上的边缘。我们能与之互动的一切都在可观测宇宙之内,这很可能永远不会改变。
即便这样的宇宙让人觉得自己渺小,它也大到足以容纳人类及其后代所能想到的一切梦想,对我们来说,它已经“无限地足够”。
那宇宙之外是什么?它可能根本没有“外面”,也可能无限延伸到我们永远无法触及的远方,而无论哪种答案,都超出了人类大脑能直观想象的范围。
但这并不令人沮丧。正如爱因斯坦所说:“宇宙最不可思议的地方,在于它是可以被理解的。”我们看不到尽头,却依然能够一步步弄清,尽头为什么看不到。