我們離“宇宙大爆炸的中心”有多遠？

我們離宇宙大爆炸的中心究竟有多遠? 你有沒有想過,對於任何人,甚至是專業的天文物理學家來說, 大爆炸和宇宙的膨脹都是最難理解的概念之一。 在遙遠的深空,在人類最強大的望遠鏡所能看到的極限邊界, 星系正在飛速遠離我們。 它們的光線被拉伸到原本波長的12倍之多。 這種紅移現象是宇宙膨脹的直接證據。 更奇妙的是,無論我們朝哪個方向觀測,幾乎都能看到相同的結果,但又不完全一樣。 如果一個方向的星系紅移略大於另一個方向, 這是否意味著我們真正能找到數十億年前大爆炸的發生地點? 如果用紅移來描述來自遠方的光,用藍移來描述靠近我們的光, 那我們能不能據此斷定,自己在宇宙中究竟離大爆炸的起點有多遠呢? 這個問題聽起來有點像宇宙偵探故事, 它在天理物理學家中並不常見, 因為大多數科學家會直接告訴你,大爆炸根本沒有一個中心點。 但是不妨我們大膽一點,先假設這樣是可以的,先看看會發生什麼, 再回過頭來解釋為什麼科學界並沒有採用這種方式。 當我們仰望星空,會發現一個驚人的一致性, 星系正在遠離我們,它們的光譜就會越偏紅。 這種光的拉伸,就像正在告訴我們宇宙正在膨脹。 這種關係最早在20世紀20年代被發現, 美國天文學家艾德溫·哈勃當時在威爾遜山天文臺, 用一臺2.5米口徑的望遠鏡觀測了大量的星系, 他和同事發現,幾乎所有的星系的光都被拉長了波長,呈現出紅移。 而且紅移的程度與距離成正比,這就是後來著名的哈勃定律。 它意味著什麼?意味著整個宇宙不是靜止不動的, 而是像氣球被吹大一樣,整體在膨脹。 一個星系提我們越遠,我們看到它退行的速度就會越快。 這一規律,自從上個世紀20年代被提出, 直到今天依然沒有被推翻。 但是,如果你盯得足夠仔細,會發現這個規律並不是100%完美。 我們確實能看到一些細微的差異, 在某個方向,星系會比平均值稍微紅移一點, 而在相反的方向,它們會比平均值稍微藍移一點。 這聽起來很奇怪,但其實非常合理,宇宙並不是均勻的, 它並不是一鍋攪拌均勻的湯,而更像是一顆疙瘩湯。 有的地方物質更稠密,形成了恆星、星系和星系團, 有的地方很稀薄,形成了巨大的宇宙空洞, 引力在裡面扮演了很重要的角色。 稠密的地方就像引力漩渦一樣, 把周圍的物質拉過來,而空洞則像被掏空的地方。 物質會自然地流向更密集的區域, 於是無論我們所在的銀河系還是更遙遠的星系, 它們都會因為這些分佈不均勻的引力,產生一些額外的相對運動。 那麼,我們怎麼知道自己在宇宙中的真實運動呢? 這個時候,宇宙給了我們一個提示, 在宇宙的一個角落都充滿著一種極其微弱、冷卻下來的輻射, 這就是宇宙微波背景輻射,簡稱CMFB, 它就像一層無形的薄霧籠罩著整個宇宙。 這個輻射的存在早在20世紀40年代就被物理學家預測過, 當時科學家推測,既然宇宙今天正在膨脹, 那麼它過去一定會更小、更熱。 在那樣的環境裡面,物質和光都不斷作用, 連最簡單的中性原子都無法形成, 整個宇宙就像一鍋滾燙的等體紙湯。 等到宇宙冷卻下來,光子終於得到了自由的傳播, 這些光就一直求存到今天。 果然,在1965年,貝爾實驗室的兩位無線電工程師, 彭吉亞斯和威爾遜,在調試天線時意外聽到了一種背景的噪音, 他們一開始以為這是鴿子糞便搞的鬼, 但很快就發現,這就是來自整個宇宙的回聲, 宇宙微波背景輻射。 這個發現後來直接讓他們獲得了諾貝爾獎, 宇宙微波背景輻射的平均溫度只有2.7255凱爾文, 比絕對頻度高不到3度,但它的清確度非常驚人, 在一個方向上比平均值高出大約3.4凱爾文, 而在相反的方向上又低出同樣的數值。 換句話說,它告訴我們,我們所在的銀河系其實在穿過宇宙的流動。 科學家們通過計算發現,我們的銀河系正以大約每秒620公里的速度流動, 方向指向獅子座,遠離水平座。 想像一下,這相當於每小時220萬公里,比地球繞太陽公轉的速度還要快上十倍。 如果我們繼續把這些數據帶入模型,進行一系列的複雜運算, 就能推算出一個點,假如我們所在的宇宙真的有一個正中心, 我們今天的具體它大約是1400到2000萬光年,平均值大約是1700萬光年。 1700萬光年,聽上去很遠,但別忘了,我們能看到的宇宙半徑大約是461億光年, 相比之下,這個距離大約只佔到0.037%,幾乎可以說是近在咫尺。 這是不是意味著,我們恰好生活在宇宙大爆炸的中心? 如果真的是這樣,那也未免太巧合了,但科學家並不這麼認為。 因為從理論上來說,你之所以會追溯到某個點,只是因為你把宇宙大爆炸比作成一次爆炸。 如果宇宙真的像手榴彈爆炸那樣,那你當然可以沿著每一片碎片的軌跡追溯到爆炸的起點。 問題是,宇宙大爆炸根本就不是空間中的爆炸,而是空間本身的膨脹。 更貼切的比喻就是發酵的麵包,你是其中的一個葡萄乾, 只能看到周圍的葡萄乾隨著麵包膨脹而漸行漸遠。 麵糰本身沒有外面的空間來裝載,它本身就是全部。 在這個模型裡面,沒有任何一個葡萄乾能聲稱自己靠近中心,因為中心本身就不存在。 這正是愛因斯坦廣義相對論的力量所在。 他告誡我們,一個充滿物質和能量的宇宙必然要膨脹或者收縮,不可能靜止不動。 觀測到星系都在遠離我們的現象,並不是說它們正在逃離某一個爆炸點,而是時空本身正在被拉伸。 這種認識改變了人類對宇宙的理解。 它意味著宇宙大爆炸並不是某個地方的事件,而是某個時刻的開始。 在那一刻,整個宇宙同時誕生,充滿了物質和能量,並開始不斷地膨脹和冷卻。 哲學意味著也隨之而來,如果宇宙沒有中心,那麼我們身處宇宙在什麼地方,這個問題實際上沒有答案。 或者說,每個觀察者都可以體直氣壯地宣佈自己在中心。 你在地球上也可以這樣說,外星人如果在距離我們百億光年的地方,他也可以這樣說。 這是不是很像一面哈哈鏡,宇宙正在提醒我們尋找大爆炸的中心? 可能就像問,地球表面哪個點是地圖的正中心一樣,是一個不恰邏輯的問題。 天理物理學家凱蒂·麥克有一句很妙的話,宇宙的膨脹方式和你思維的方式是一樣的, 它沒有膨脹到某個地方去,而是讓原本稠密的部分變得越來越稀疏。 所以,當我們說我們距離大爆炸中心有多遠時, 真正的答案是我們並沒有遠離某個中心點,而是參與到宇宙整體膨脹的過程之中。 我們腳下的每一寸空間,都是當年大爆炸發生過的地方。 宇宙的故事並不是一個爆炸點的故事,而是一次關於空間和時間本身的誕生,一次關於存在的開端。 經歷了數百億年的演化後,今天存在於宇宙中的恆星和星系會變成怎樣?宇宙的最終歸宿又是什麼? 我們對早期宇宙的認識還不能直接得到星系形成的完整圖景。 儘管如此,我們還是掌握了好幾塊拼圖,引力將導致物質密度的增長, 因為它會抑制高密度區域的膨脹,使那裡變得越來越密集。 我們已經在停機的星系團的成種過程中觀察到了這個過程, 星系可能也是同樣的過程中形成的,只是尺度要小一些。 輻射的壓力抑制早期宇宙結構的增長,不過當宇宙膨脹到現在尺寸的1%的時候就不一樣了。 在那個時刻,宇宙的溫度大約為3000凱爾文, 一道足夠使體質和電子結合成中性的氫和氦原子,中性物質不怎麼受輻射的影響。 可以聚集起來,形成氣體雲,然後再攤縮成星團。 觀測表明,在宇宙達到現在1%大小的時候,物質已經聚集成了巨大的氣體雲,即將形成星系。 當務之急是解釋一個看似矛盾的問題,早期宇宙觀測到均勻性和現在的星系分佈的團塊分佈。 天文學家認為,早期的宇宙密度起伏不大, 因為在宇宙背景微波輻射中觀測到非常微小的不規則成分。 到目前為止,建立與現有測量數據相容的理論還算容易, 但更關鍵的檢測還在進行之中,特別是隻有在觀測分辨率小於1度時, 不同星系形成理論所預言的背景輻射掌握才能看出明顯的差距。 目前還無法進行這麼小尺度的測量,但科學家已經開始準備這方面的實驗, 將來就知道現在那些星系形成體論中哪個能通過檢驗。 據科學家所知,當前的宇宙最適合生命發展的, 在可觀測極宇宙範圍內大約有1萬億億顆太陽這樣的海星。 大爆炸理論認為,生命只是存在於宇宙的某一個階段, 過去它可能太熱,未來它的資源又有限。 雖然大部分星系還在產生新的恆星, 但其他很多星系已經耗盡了它們的氣體儲備。 300億年後,星系將變得暗淡,充滿了死亡或者垂死的恆星。 與現在相比,適合生命居住的行星將少得多, 宇宙也許會永遠膨脹下去, 所有的星系和恆星最終都會變得又暗又冷, 這就是大降溫。 另一種可能的是大擠壓。 如果宇宙的質量足夠大,萬有引力最終將逆轉膨脹, 所有的物質和能量都會重新攤出到一點。 在不久的將來,我們能對宇宙大爆炸有更深刻的理解。 對宇宙膨脹率和恆星年齡的測量已經證實, 恆星年齡確實比宇宙膨脹歷史要短。 天文學家正在利用望遠鏡觀測背景輻射, 同時開展物理實驗尋找暗物質。 這些努力也許最終讓我們知道宇宙內的物質是如何影響時空曲率, 而曲率又是如何反過來影響我們觀測遙遠的星系。 此外,科學家還正在研究那些超出了宇宙大爆炸理論這個範圍的問題。 比如,為什麼會發生大爆炸?在那之前有什麼? 宇宙是否有兄弟姐妹? 擠在我們所觀測的範圍之外,是否還有其他的膨脹區域? 自然基本常數為什麼會是這些值? 粒子物理學的最新研究進展有了一個有趣的解題思路, 但問題在於如何用實驗進一步證明。 在我們討論這些宇宙的問題時候,必須要記住一點, 所有的物理理論都只是真實的接近各其應用的範圍, 人們總是不斷地被那些已經實驗證明的舊理論融入到新的更宏大的理論框架中去, 物理學就是這樣前進的。 宇宙大爆炸理論已經有大量的實驗證明, 它解釋了宇宙微波背景輻射、氫元素的豐度和宇宙的膨脹。 因此,未來的宇宙學理論肯定得包含大爆炸理論。 宇宙學已經完成了從哲學到物理學的發展, 今後它獲得的任何新的進展都要接受觀測和實驗的雙重驗證。 我們常常想像,大爆炸就像一場巨像的煙花, 有一個清晰的起點和中心。 但科學告訴我們,宇宙並不是從某個地方向外擴散, 而是空間本身的膨脹。 因此,所謂的中心既不存在於遙遠的深空, 也不在我們的腳下,而是存在於每一個地方。 當時間與空間系統誕生的時候, 中心這個問題本身就失去了意義。 真正重要的是,不是我們抵大爆炸的中心有多遠, 而是我們能否體解自己在宇宙中的位置。 或許答案是,我們就是宇宙的一部分, 而宇宙的故事也在我們身上延續。