撰文：王一 （香港科技大學(xué)物理學(xué)系）

 宇宙 

 莊子、愛(ài)因斯坦和哈勃 

自人類第一次仰望星空，便開(kāi)始了對(duì)宇宙的探索。 “宇宙”一詞，可以追溯到戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，莊子說(shuō)：“上下四方曰宇，往古來(lái)今曰宙?！币簿褪钦f(shuō)，宇宙就是上下四方所有的空間，古今所有的時(shí)間，以及這時(shí)空中發(fā)生的一切。

這個(gè)概念令人敬畏。宇宙本身，是這個(gè)宇宙中最復(fù)雜的物體。因?yàn)橐磺衅渌膹?fù)雜性都包含在其中?？墒?，愛(ài)因斯坦說(shuō)，世界上最難理解的事，就是這個(gè)世界居然是可以理解的。 宇宙的復(fù)雜，并不妨礙我們把宇宙作為整體來(lái)研究。這種研究就是宇宙學(xué)。

現(xiàn)代宇宙學(xué)起源于愛(ài)因斯坦。對(duì)宇宙，愛(ài)因斯坦做了三件事:

1. 建立了廣義相對(duì)論。此前，人們嘗試用牛頓的萬(wàn)有引力理論理解宇宙時(shí)，總是不可避免陷入各種佯謬。比如牛頓的引力瞬間就可以傳遍宇宙。這樣，你漂浮在宇宙空間中，會(huì)不會(huì)受到力，要取決于離你無(wú)窮遠(yuǎn)的地方，星系如何分布和運(yùn)動(dòng)。而廣義相對(duì)論中，引力像電磁力一樣，其變化受到光速制約。所以不用討論無(wú)限，我們就能科學(xué)地研究宇宙。

   
   

2. 提出了宇宙學(xué)原理：當(dāng)我們談?wù)摵艽蟮木嚯x，宇宙中的物質(zhì)分布大致是均勻的， 并且沒(méi)有一個(gè)特殊方向。其實(shí)，在愛(ài)因斯坦提出宇宙學(xué)原理時(shí)，哈勃還沒(méi)有從觀測(cè)上證明銀河系只是眾多星系中的一員（盡管此前已有關(guān)于河外星系的猜測(cè)）。宇宙學(xué)原理當(dāng)時(shí)看來(lái)簡(jiǎn)直像只“真空中的球形雞”。而現(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)宇宙學(xué)原理居然是正確的！這個(gè)假設(shè)把宇宙中最復(fù)雜的宇宙簡(jiǎn)化成了一個(gè)可以研究的物體。

   
   

3. 應(yīng)用宇宙學(xué)原理，解出愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程（廣義相對(duì)論的核心方程），得到宇宙的演化規(guī)律。愛(ài)因斯坦煩惱地發(fā)現(xiàn)，方程的解不是膨脹就是收縮，這就意味著宇宙不是靜態(tài)的。為了得到一個(gè)平衡狀態(tài)，他不得不修改愛(ài)因斯坦方程，加一個(gè)“宇宙常數(shù)”項(xiàng)。在宇宙常數(shù)的干預(yù)下，他的宇宙就可以茍且穩(wěn)定了。

令愛(ài)因斯坦意想不到的是，幾年后，哈勃發(fā)現(xiàn)，宇宙是膨脹的?？臻g在物質(zhì)之間不斷產(chǎn)生出來(lái)，就好比吹一個(gè)氣球，氣球上每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)之間的距離不斷變大。愛(ài)因斯坦懊悔地在他的方程中刪除了宇宙常數(shù)，并認(rèn)為引入宇宙常數(shù)是他一生中犯的最大錯(cuò)誤。

作為宇宙學(xué)的基本觀測(cè)事實(shí)，現(xiàn)在我們知道，宇宙是膨脹的。

 視界 

 比永遠(yuǎn)更遙遠(yuǎn) 

宇宙膨脹，物體彼此遠(yuǎn)離。換言之，如果逆著時(shí)間往前追溯，早期宇宙要比現(xiàn)在致密。中學(xué)物理學(xué)過(guò)，壓縮氣體做功，氣體變熱。所以早期宇宙也更熱。

假如早期宇宙始終由像原子（及暗物質(zhì)等）這樣的物質(zhì)，以及像光這樣的輻射構(gòu)成，那么，在有限遠(yuǎn)的過(guò)去——約138億年前，宇宙的密度接近于無(wú)窮大。這個(gè)“由物質(zhì)和輻射等構(gòu)成的宇宙”的初始狀態(tài)，叫做“熱大爆炸”。也就是說(shuō)，從熱大爆炸到現(xiàn)在，宇宙的“年齡” 是有限的，就是這138億年。

我們知道，宇宙中最快的信使是光，光速有限。再加上宇宙“年齡”有限，那么，我們現(xiàn)在能觀測(cè)到的宇宙就是有限的。可觀測(cè)宇宙的半徑約450億光年。由于宇宙膨脹，這個(gè)數(shù)字大于光速乘以宇宙年齡?？捎^測(cè)宇宙的半徑為我們（及望遠(yuǎn)鏡）的視力范圍提供了一個(gè)界限，我們稱這個(gè)界限為“粒子視界”。

粒子視界并不是我們認(rèn)識(shí)宇宙的唯一界限。我們還可以問(wèn)：如果我們能等到無(wú)窮遠(yuǎn)的將來(lái)，那時(shí)，我們能觀測(cè)到整個(gè)的、無(wú)限的宇宙嗎？想象一下，有一顆遙遠(yuǎn)的星星，向你發(fā)出一束光。這束光跑向你，而你與光之間的宇宙空間在膨脹。這束光最終會(huì)到達(dá)你嗎？如果宇宙膨脹速度不斷減小，那么不管星星再遠(yuǎn)，這束光總會(huì)來(lái)。但是，如果宇宙加速膨脹呢?

宇宙加速膨脹？你可能說(shuō)，這是不會(huì)發(fā)生的。牛頓說(shuō)萬(wàn)有“引”力，物質(zhì)相互吸引，怎么會(huì)彼此加速跑開(kāi)？如果這樣想，你可能學(xué)了假的物理學(xué)。1998 年，天文學(xué)家對(duì)超新星的研究發(fā)現(xiàn)，宇宙確實(shí)正在加速膨脹。足夠遙遠(yuǎn)的星光確實(shí)可能永遠(yuǎn)也沒(méi)法到達(dá)你。這個(gè)“遙遠(yuǎn)”的界限，就是宇宙的 “事件視界”。事件視界之外，比永遠(yuǎn)更遙遠(yuǎn)。

你可能問(wèn)：既然光無(wú)法跨越宇宙膨脹，那么宇宙膨脹的速度超光速了嗎？一個(gè)嚴(yán)肅的物理學(xué)家可能會(huì)回答：“你的問(wèn)題有語(yǔ)法錯(cuò)誤?！?這個(gè)語(yǔ)法錯(cuò)誤是，在時(shí)空（流形）不同地點(diǎn)， 比較各自的速度矢量（不同的切空間）。如果我們強(qiáng)行定義速度為宇宙中遙遠(yuǎn)的物體距離隨時(shí)間的變化，則超光速在宇宙中比比皆是。然而，對(duì)于同一個(gè)地方相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體，超光速則依然不可能發(fā)生。沒(méi)有一個(gè)他（她）能夠與你超光速擦肩而過(guò)。

除“視界”外，宇宙中亦有“聽(tīng)界”。早期宇宙中密度的起伏變化，如樂(lè)曲般，以聲波形式傳播。此間宇宙日漸稀薄冷卻。在宇宙38萬(wàn)歲時(shí)，人散曲終。當(dāng)初聲波的痕跡（重子聲學(xué)振蕩），138億年后，在微波背景輻射和大尺度結(jié)構(gòu)中猶可追尋。白居易說(shuō)：“不窮視聽(tīng)界，焉識(shí)宇宙廣？” 宇宙視聽(tīng)界，我們已有了解，但當(dāng)今遠(yuǎn)未窮盡。

【注】熱大爆炸（有時(shí)簡(jiǎn)稱“大爆炸”），這里指輻射為主的宇宙的開(kāi)始，并不是時(shí)空存在的開(kāi)始。所以談?wù)摗盁岽蟊ㄖ啊?，并不比談?wù)摗拔疑蠈W(xué)之前”更“玄”。也有文獻(xiàn)將時(shí)空的絕對(duì)開(kāi)始稱為“大爆炸”。希望讀者根據(jù)上下文確定含義，不要混淆。

 創(chuàng)世 

 熱大爆炸之前，宇宙在暴漲嗎? 

現(xiàn)在我們知道，宇宙的年齡，為我們劃定了粒子視界（我們現(xiàn)在能看到的范圍）。而宇宙更年輕的時(shí)候，粒子視界就更小?，F(xiàn)在可觀測(cè)宇宙中遙遠(yuǎn)的地方，在宇宙更年輕的時(shí)候彼此不能看到。

那么問(wèn)題來(lái)了：既然這些遙遠(yuǎn)的地方自熱大爆炸以來(lái)“你不知我，我不知你”，為何這些地方有幾乎同樣的密度（宇宙學(xué)原理）？宇宙緣何可以像愛(ài)因斯坦般平坦、均勻和各向同性？“在昔戎戈動(dòng)，今來(lái)宇宙平”。原初宇宙必有不平凡的歷史。目前，原初宇宙的主流理論是暴漲理論：熱大爆炸之前，宇宙曾加速膨脹。暴漲理論預(yù)言的原初擾動(dòng)，已在90年代初被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

除暴漲外，一些替代理論，如弦氣、反彈、火劫等，在一定假設(shè)下也可以解釋目前的實(shí)驗(yàn)。這些替代模型中，原初宇宙具有不同的膨脹（收縮）歷史。陳新剛，Namjoo和我提出[1]，早期宇宙中重粒子的量子效應(yīng)可以直接探測(cè)原初宇宙的演化歷史，進(jìn)而在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)上鑒別這些理論，追溯宇宙本源。

【注】是“暴漲”，或“暴脹”，至今一如豆腐腦的甜咸爭(zhēng)論不休。我只是自己一直沿用一種。 希望不要因偏旁被認(rèn)為水貨。

 末日 

“問(wèn)蒼茫大地，誰(shuí)主沉浮”? 

感謝這可以理解的世界。我們無(wú)法預(yù)測(cè)人類社會(huì)百年后的形態(tài)，卻可以談?wù)撚钪娴慕K極未來(lái)。不必說(shuō)10億年后太陽(yáng)更熱，地球海洋沸騰；不必說(shuō)50億年后太陽(yáng)變紅巨星，地球成焦土；也不必說(shuō)70億年后銀河系和仙女座合并成銀河仙女。相對(duì)于無(wú)窮宇宙，這些都是 “一粟太倉(cāng)中”。

自1998年以來(lái)，暗能量的發(fā)現(xiàn)，及其性質(zhì)研究，是對(duì)宇宙終極未來(lái)的探索。最簡(jiǎn)單的暗能量模型，恰是已被愛(ài)因斯坦嫌棄的宇宙常數(shù)。如暗能量是宇宙常數(shù)，則宇宙加速膨脹永無(wú)止境。除了與銀河仙女遙相吸引的幾十個(gè)星系（本星系群），目前可觀測(cè)宇宙中數(shù)萬(wàn)億 的星系都終將遠(yuǎn)離，融化在像永遠(yuǎn)般遙遠(yuǎn)的事件視界之上。而時(shí)空幾何，只向我們閃耀10的負(fù)30次方開(kāi)爾文的余暉。

當(dāng)然，對(duì)宇宙未來(lái)的推測(cè)是基于現(xiàn)在的外推。就算未來(lái)沒(méi)有意外突然間發(fā)生，憑我們今天 對(duì)宇宙的了解，約百分之一的精度，我們可以談?wù)摰?，或許只是百倍于宇宙年齡的時(shí)間， 也就是萬(wàn)億年的未來(lái)。萬(wàn)億年太久，但宇宙學(xué)日新月異，我們已可以論萬(wàn)億年于朝夕。

 未知   

對(duì)宇宙，我們已知甚多，而未知更多！得益于宇宙學(xué)的快速發(fā)展，我們已經(jīng)身處精確宇宙學(xué)的時(shí)代。而未來(lái)十幾年，實(shí)驗(yàn)的發(fā)展可以使宇宙學(xué)的很多關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)一步獲得數(shù)十倍的精度改進(jìn)。“細(xì)推物理”，我們期待將很多未知變成已知。

無(wú)論宇宙源于暴漲、弦氣、反彈還是火劫，無(wú)論宇宙歸于大凍結(jié)、大擠壓、大撕裂還是大反彈，這都是一個(gè)大時(shí)代。愿我們能盡快知悉宇宙的選擇。

參考文獻(xiàn)：

【1】 X. Chen, M. H. Namjoo and Y. Wang, “Quantum Primordial Standard Clocks,” JCAP 1602, no. 02, 013 (2016) doi:10.1088/1475-7516/2016/02/013, arXiv:1509.03930