在一個(gè)晴朗的日子爬上山頂，你會(huì)為美景而驚嘆。你將有機(jī)會(huì)一覽連綿數(shù)千米的大好風(fēng)光，除非那里有一家咖啡店。

這種體驗(yàn)肯定會(huì)讓你印象深刻，因?yàn)樵缟虾瓤Х鹊臅r(shí)候，你從家中窗戶只能看到幾米遠(yuǎn)的景色—除非你是擁有頂層豪宅的億萬富翁?；蛟S你家跟旁邊那棟樓近得不得了，鄰居可以從你背后偷偷看到這本書。

然而，每晚仰望星空的時(shí)候，你會(huì)看到更為宏大的景象。你可以凝望幾十億千米外的深空。每一顆星星都像宇宙海洋中的一座小島。仰望無邊無際的天空時(shí)，你會(huì)看到無數(shù)會(huì)發(fā)光的小島飄浮在空中的奇景。在這片廣袤的星辰之海中，你所居住的地方只是地球這座小島的一個(gè)角落，這樣的景象或許會(huì)令你恍惚。

這種景象之所以能夠出現(xiàn)，是因?yàn)橛钪娲蟮昧钊穗y以置信，并且大部分地方都是空曠的。

如果星星彼此靠得更近，夜空會(huì)變得更加明亮，人在夜里入睡也將變得更為困難。如果星星之間離得更遠(yuǎn)，夜空會(huì)暗得令人壓抑，我們對(duì)宇宙其他地方的了解也會(huì)變少。

更糟的是，如果太空不那么“透明”，這樣的美景將被籠罩在霧靄之中，我們甚至難以認(rèn)清地球在宇宙的哪個(gè)地方。令人欣喜的是，太陽(yáng)發(fā)射的光能夠很好地穿透星際氣體和塵埃，我們的眼睛也很擅長(zhǎng)接收這種光，盡管紅外線和波長(zhǎng)更長(zhǎng)的電磁波穿透力更強(qiáng)。

即使不是億萬富翁，我們也都是非常幸運(yùn)的人，因?yàn)槲覀兌寄芸吹教丈钐帯５强吹讲⒉灰馕读私?。我們的祖先跟我們看到的景象相同，但他們得出了很多錯(cuò)誤的結(jié)論。在史前時(shí)代，最富有的人也對(duì)身邊的偉大知識(shí)一無所知；而今天，在望遠(yuǎn)鏡和現(xiàn)代物理學(xué)的幫助之下，人們可以深入地探索太空，并了解人類在宇宙中的位置，知曉恒星與星系的分布。

但我們對(duì)宇宙的了解并不比古人多很多。已知的一切只會(huì)讓我們提出更多問題：在我們看不到的地方有更多的星星嗎？宇宙有多大？在那么遠(yuǎn)的地方我還能買到一杯還不錯(cuò)的拿鐵咖啡嗎？

在本章，我們要講的是最大的主題：宇宙的大小和結(jié)構(gòu)。

請(qǐng)坐穩(wěn)，我們要出發(fā)了。

我們?cè)谟钪嬷械奈恢?/strong>

你正在地球上的某個(gè)地方讀這本書，具體地點(diǎn)不重要。也許你正坐在沙發(fā)上逗弄寵物倉(cāng)鼠，也許你正躺在阿魯巴島上的吊床里，也許你在某個(gè)咖啡店的廁所里。在宇宙的宏大尺度之下，這些細(xì)枝末節(jié)都變得無關(guān)緊要，哪怕你是個(gè)土豪，擁有自己的小型空間站。

我們地球和它的七個(gè)姐妹行星 繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，太陽(yáng)繞著銀河系的中心旋轉(zhuǎn)。我們的星系是一個(gè)巨大的盤狀旋渦星系，明亮的中心延伸出幾條旋臂。我們大約位于銀河系其中一條旋臂的中間。我們的太陽(yáng)是銀河系中上千億顆恒星中的一員，它既不是最古老的也不是最年輕的，既不是最大的也不是最小的。金發(fā)姑娘 覺得剛剛好。當(dāng)你在夜晚仰望群星時(shí)，你看到的基本都是這條旋臂上的恒星，從宇宙尺度看，它們是我們的近鄰。在晴朗的夜晚，如果遠(yuǎn)離光污染的話，你會(huì)看得足夠遠(yuǎn)，可以看到星系盤的其他部分。它看起來像一條很寬的帶子，其中密密麻麻地布滿了恒星，好像潑在天空中的牛奶。你在夜空中看到的一切差不多都屬于我們星系，因?yàn)樗鼈冏罱?、最明亮?/p>

根據(jù)最新消息，宇宙的其他部分密布著其他星系，目前人們沒有發(fā)現(xiàn)飄浮在星系之間的孤星。100年前，天文學(xué)家還以為恒星均勻地點(diǎn)綴在太空中。他們不知道恒星會(huì)聚集在一起形成星系，直到建造了威力足夠強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，人們才明白那些模糊的遙遠(yuǎn)天體究竟是什么。人們?cè)疽詾樽约荷畹男窍稻褪钦麄€(gè)宇宙，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)它只是宇宙中可見的數(shù)十億星系中的一員。這在當(dāng)時(shí)一定是極為不凡的重大發(fā)現(xiàn)。在此之前，人們剛剛發(fā)現(xiàn)地球不是宇宙中唯一的行星，而我們的太陽(yáng)也不過是眾多恒星中的一顆。每一次這樣的發(fā)現(xiàn)都會(huì)使我們前進(jìn)一大步，但在宇宙的尺度上，我們的一大步不算什么。

最近，我們發(fā)現(xiàn)星系在宇宙中也不是均勻分布的。它們傾向于聚集在一起形成松散的星系群 和星系團(tuán)，這些又組成了更大的超星系團(tuán)，每個(gè)超星系團(tuán)中都有數(shù)十個(gè)星系團(tuán)。我們所在的超星系團(tuán)的重量大約是太陽(yáng)質(zhì)量的1015倍。真夠重的！

根據(jù)我們目前知道的情況，在超星系團(tuán)的尺度之下，宇宙的結(jié)構(gòu)層級(jí)分明：衛(wèi)星繞著行星轉(zhuǎn)，行星繞著恒星轉(zhuǎn)，恒星繞著星系的中心轉(zhuǎn)，星系繞著它們的星系團(tuán)的中心轉(zhuǎn)，星系團(tuán)繞著超星系團(tuán)的中心轉(zhuǎn)。奇怪的是，事情到此為止了。超星系團(tuán)不會(huì)再形成巨星系團(tuán)、超巨星系團(tuán)或超凡星系團(tuán)，但它們做了更不可思議的事情：它們形成了橫跨數(shù)億光年卻只有數(shù)千萬光年厚的片狀和纖維狀結(jié)構(gòu)。這些超星系團(tuán)構(gòu)成的片狀結(jié)構(gòu)極為巨大，它們彎曲形成不規(guī)則的球狀和絲狀結(jié)構(gòu)，將空蕩蕩的宇宙巨洞包裹其中。那里沒有超星系團(tuán)也沒有星系，不過說不定你會(huì)找到一些恒星、衛(wèi)星或者超級(jí)富豪。

超星系團(tuán)組織是宇宙中人們已知的最大結(jié)構(gòu)。如果你繼續(xù)放大視野，你會(huì)看到恒星—星系—星系團(tuán)—超星系團(tuán)—片狀結(jié)構(gòu)這一基本模式在其他地方反復(fù)出現(xiàn)，而不會(huì)看到更大規(guī)模的結(jié)構(gòu)。接下來沒有什么有趣而復(fù)雜的巨型結(jié)構(gòu)了。那些片狀結(jié)構(gòu)就像隨機(jī)散落在地板上的積木，均勻地遍布宇宙。為什么這種模式以這樣的尺度為終結(jié)？超星系團(tuán)片狀結(jié)構(gòu)形成的“泡泡”從何而來？為什么宇宙在這一層次上如此均勻？

有一件事情是顯而易見的：在這樣的尺度之下，我們微不足道。我們?cè)谟钪嬷袥]有占據(jù)什么特殊的地位。我們住的地方不是什么核心地帶，我們不是宇宙版曼哈頓的居民。 在擁有數(shù)十億星系 ，每個(gè)星系有上千億顆恒星的宇宙中，提到生命和智慧，我們也不一定有那么特殊。

它是怎么變成這樣的？

我們的讀者是兼具學(xué)問和顏值的人 ，所以你一定知道，我們?cè)阢y河系中的位置就是這么一回事。但是這也引出了一個(gè)非常有趣的問題：為什么宇宙會(huì)有這樣的結(jié)構(gòu)？

以另一種形式存在的宇宙并不是很難想象的東西。為什么所有的恒星沒有聚集在一起形成一個(gè)巨星系呢？為什么每個(gè)星系不是只有一顆恒星呢？星系為什么會(huì)存在？為什么宇宙中的恒星不能像老房子里懸浮的塵埃一樣均勻分布？

說到底，宇宙為什么一定要有結(jié)構(gòu)呢？宇宙似乎也可以一開始就是均勻和對(duì)稱的，粒子在各個(gè)地方有著完全相同的密度。如果這些是真的，那么我們會(huì)得到一個(gè)什么樣的宇宙？如果宇宙無限且光滑，那么每一個(gè)粒子在每個(gè)方向都會(huì)受到相同的引力，這意味著沒有一個(gè)粒子會(huì)被迫向任何方向移動(dòng)。所有粒子永遠(yuǎn)不會(huì)聚集在一起，而宇宙也是凝滯不動(dòng)的。如果宇宙有限且光滑，那么每個(gè)粒子都將被吸引到一個(gè)共同的地方：宇宙質(zhì)量的中心。 

在每一種情況下，你都不會(huì)找到任何聚集在局部的團(tuán)塊或結(jié)構(gòu)。宇宙要么是均勻的，要么聚集到一處。

關(guān)于宇宙如何變得結(jié)構(gòu)遍生且不均勻，物理學(xué)家有一套不錯(cuò)的說法。理論上講，早期宇宙中微小的量子漲落被時(shí)空的快速擴(kuò)張（比如暴脹）拉伸成了無數(shù)巨大的褶皺，為恒星和星系在引力作用下的形成埋下種子，這一過程也受到了暗物質(zhì)的助推，并且從某一時(shí)刻開始，暗能量將空間拉伸到更遠(yuǎn)的地方。

呼，讓我喘口氣。我們說了這是一套不錯(cuò)的說法，可沒說它簡(jiǎn)單。

你看，為了使今天的宇宙有一定的結(jié)構(gòu)，你需要它在年少時(shí)具有某種成團(tuán)性。 一旦有了哪怕最微小的質(zhì)量團(tuán)塊，一個(gè)局部的引力熱點(diǎn)就出現(xiàn)了，它能將越來越多的原子拉到一起，并使它們遠(yuǎn)離所有其他原子的引力作用。

你可以想象一下，好幾家星巴克咖啡店均勻地分布在一座城市里。每一位咖啡愛好者都能被最近的幾家店吸引，但這些咖啡店和他的距離都差不多，所以他總是猶豫不決，不知道該去哪一家店。然而，如果某一家咖啡店通過沖泡過程中的一點(diǎn)小變化而制作出了更加香醇的咖啡，那么這一家店就會(huì)吸引更多的客人?？腿硕嗔?，就會(huì)有更多咖啡店來到同一條街，這又吸引了更多的客人……這樣的反饋環(huán)路會(huì)造成某種級(jí)聯(lián)，很快就會(huì)有星巴克店開在其他的星巴克店中，促使星巴克奇點(diǎn)產(chǎn)生。如果沒有最初的那個(gè)熱點(diǎn)，這一切就無從開始。在星巴克誕生之前的早期宇宙，那個(gè)最早的“熱點(diǎn)”對(duì)于今天的恒星和星系結(jié)構(gòu)絕對(duì)是至關(guān)重要的。

那么，在宇宙的嬰兒時(shí)期，是什么造成了第一個(gè)“熱點(diǎn)”呢？我們所知道的講得通的機(jī)制只有量子力學(xué)的隨機(jī)性。

這不是猜想，而是已經(jīng)被觀測(cè)到的事實(shí)。你可以回想一下我們從宇宙微波背景中看到的宇宙嬰兒時(shí)期的樣子，它向我們展示了宇宙在從高熱帶電的離子態(tài)冷卻為中性氣態(tài)占主流的時(shí)刻。在那幅圖像中，我們看到的宇宙是均勻的，但又不完全均勻。一些微小的漣漪體現(xiàn)了早期宇宙中的量子漲落。

在宇宙大爆炸中，暴脹極大地拉伸了空間，并將那些微小的漣漪放大成了時(shí)空構(gòu)造中的巨大褶皺。接著，這些時(shí)空褶皺又產(chǎn)生了團(tuán)塊聚集和引力熱點(diǎn)，并在之后發(fā)展出更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

總之，量子層面上的隨機(jī)事件的空間被快速擴(kuò)張放大了，這引發(fā)了我們今天所看到的一切。如果沒有暴脹，宇宙看起來會(huì)很不一樣。

物理學(xué)家懷疑，宇宙中之所以沒有比超星系團(tuán)的片狀和球狀結(jié)構(gòu)更大的結(jié)構(gòu)，是因?yàn)橐€沒有足夠的時(shí)間把那些大家伙拉到一起。事實(shí)上，今天宇宙中的某些部分直到最近才開始受到彼此的引力影響，因?yàn)橐ψ饔猛瑯邮芄馑俚南拗啤?/p>

未來又會(huì)如何呢？如果暗能量沒有使宇宙不斷擴(kuò)張，那么引力將繼續(xù)發(fā)揮聚集作用，由此形成更大的形狀和結(jié)構(gòu)。不過，暗能量的影響也不容小覷。宇宙中有兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的作用：引力把事物聚集到一起，暗能量卻要把它們拉開。在這一刻，兩種作用似乎得到了完美的平衡，這意味著我們生活在一個(gè)完美的時(shí)代，所以我們見證了宇宙中這些龐大的結(jié)構(gòu)。

事情真的是這樣的嗎？我們生活在宇宙的奧茲曼迪斯 時(shí)代只是一個(gè)巧合嗎？ 自以為特殊（比如地球是宇宙的中心）的想法應(yīng)該讓我們警惕，因?yàn)槲覀兒苡锌赡苁窃趽嵛孔约捍嗳醯淖宰鹦摹?/p>

據(jù)人類現(xiàn)在掌握的知識(shí)，我們似乎生活在一個(gè)特殊的時(shí)代。但事實(shí)是我們也不能確定這一點(diǎn)，因?yàn)槲覀儾桓掖_定暗能量的未來。如果它繼續(xù)將宇宙拉伸，那么星系和超星系團(tuán)就不會(huì)有足夠的時(shí)間聚集成更有趣的結(jié)構(gòu)。但如果暗能量有所改變，那么引力就有機(jī)會(huì)把宇宙中的事物拉到一起，形成我們還沒來得及命名的全新結(jié)構(gòu)。50億年后再來查看有沒有更新吧！

引力和壓力

無論如何，宇宙中之所以有結(jié)構(gòu)，是因?yàn)榱孔訚q落帶來了最初的密度褶皺，后者又被暴脹放大，從而為我們當(dāng)前宇宙的形成埋下了種子。但是，這些種子又如何長(zhǎng)成了我們所看到的行星、恒星和星系？引力和壓力之間的平衡是關(guān)鍵。

在宇宙大爆炸之后約40萬年間，宇宙還是一個(gè)有著微小密度褶皺的熾熱中性氣團(tuán)。引力就是在這個(gè)時(shí)候開始有所行動(dòng)的。

這時(shí)每一樣?xùn)|西都是中性的—這非常重要。所有其他的作用力都在這一點(diǎn)上達(dá)到平衡。強(qiáng)核力使夸克結(jié)合成了質(zhì)子和中子，電磁力將質(zhì)子和電子拉到一起形成了中性的原子，但是引力既不能被平衡也不能被抵消。它還是非常耐心的：在漫長(zhǎng)的億萬年間，這些褶皺吸引周圍的氣體，形成了越發(fā)致密的團(tuán)塊。

宇宙已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間。你可能想知道，為什么引力還沒有將所有東西聚集成一個(gè)大團(tuán)塊，形成超大的恒星、巨大的黑洞，甚至巨型星系。事實(shí)是，宇宙中剛好有足夠的物質(zhì)和能量可以讓引力將空間變“平”，空間不會(huì)彎曲到足夠使所有事物重新聚集到一起。記住，暗能量在使空間擴(kuò)張，所以最終的結(jié)果是，在大尺度上事物都在相互遠(yuǎn)離。

即使無法贏得這場(chǎng)拔河比賽，引力仍然取得了局部的勝利。在最初的密度褶皺中形成的氣體和塵埃成為團(tuán)塊，只不過這些團(tuán)塊在整個(gè)宇宙中是分散的。

如果引力把這些氣體和塵埃的團(tuán)塊拉到一起，那么會(huì)發(fā)生什么呢？這取決于這些團(tuán)塊有多大。

一小團(tuán)物質(zhì)的引力只能形成小行星、大巖石，或者星冰樂。這些東西之所以沒有在引力的作用下坍縮成一個(gè)小點(diǎn)，是因?yàn)樗鼈冞€有來自內(nèi)部的壓力。巖石中的原子不愿意擠得太緊，它們會(huì)“反抗”。你試過把巖石擠成一枚鉆石嗎？那可不容易。這些東西最終的狀態(tài)是引力和壓力之間達(dá)到平衡的結(jié)果。

質(zhì)量更大的東西，比如像地球那么大的行星，其引力足夠把中心的巖石和金屬壓縮成熔化的巖漿。地球中心滾燙的巖漿就是這么產(chǎn)生的。如果你想嘲笑引力不夠強(qiáng)，不如先問問自己是否有能力把巖石榨成灼熱的巖漿。

這就是我所想到的。

如果有一團(tuán)足夠大的物質(zhì)，引力還可以通過熾熱的離子態(tài)把這團(tuán)物質(zhì)變成一顆恒星。恒星從本質(zhì)上說就是處于不斷爆炸中的熱核彈。唯一能使它們不散架的就是引力。引力也許弱小，但是可以把足夠多的物質(zhì)聚集到一起產(chǎn)生不斷爆炸的核彈，并且使其維持?jǐn)?shù)十億年之久。這些恒星之所以沒有立即坍縮成更致密的天體是因?yàn)槠鋬?nèi)部有壓力。一旦燃料消耗殆盡，無法再提供對(duì)抗引力的壓力，恒星就會(huì)坍縮成黑洞。

這種引力和壓力之間的平衡存在于惰性巖石、中心為熔巖的行星，以及恰好能自我維持的核聚變動(dòng)力恒星之中。這還能解釋為什么恒星會(huì)聚集成星系而不是和黑洞隨機(jī)散落在全宇宙。

記住，宇宙中的大部分質(zhì)量不是用來形成行星、恒星和咖啡豆的那些物質(zhì)。大約80%的質(zhì)量（總能量的27%）是以暗物質(zhì)的形式存在的。暗物質(zhì)可能具有我們不太了解的作用，但我們可以肯定的是，它的質(zhì)量對(duì)引力效應(yīng)是有貢獻(xiàn)的。但它沒有電磁力和強(qiáng)核力，所以它也沒有用來對(duì)抗引力的同一種壓力。它會(huì)像普通物質(zhì)那樣聚集到一起，但是會(huì)持續(xù)地聚集下去，形成巨大的暗物質(zhì)暈。在有暗物質(zhì)暈形成的地方，普通物質(zhì)會(huì)被強(qiáng)大的引力拉進(jìn)去。事實(shí)上，目前人們認(rèn)為是暗物質(zhì)讓宇宙更快地形成了早期的星系。在沒有暗物質(zhì)的宇宙中，最初的星系需要多花好幾十億年的時(shí)間才能形成。然而，我們現(xiàn)在看到的星系在宇宙大爆炸之后僅僅幾億年就形成了，這要感謝暗物質(zhì)引力的無形之手。

星系也會(huì)被引力拉到一起，但它們有很多種不同的壓力可以對(duì)抗引力，所以不會(huì)坍縮成巨大的黑洞。具體情況因星系而異。旋渦星系沒有坍縮是因?yàn)樗鼈冃D(zhuǎn)得非常快，角動(dòng)量能夠有效地使所有恒星保持距離。這也是暗物質(zhì)沒有坍縮成更稠密團(tuán)塊的原因。暗物質(zhì)粒子的速度和角動(dòng)量使得引力很難將它們拉到一起。

所以，我們看到的宇宙充滿了由超星系團(tuán)構(gòu)成的巨大片狀和球狀結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)星系都有數(shù)千億顆恒星在圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，還有很多氣體、塵埃和行星。至少一顆行星上居住著人類，我們正在仰望群星，并思考自己的存在。

但是這番景象會(huì)延伸到多遠(yuǎn)的地方呢？

這些巨大的片狀和球狀結(jié)構(gòu)會(huì)永遠(yuǎn)延伸下去嗎？或者，宇宙中所有的物質(zhì)更像是虛無之中的孤島或者大陸？

宇宙到底有多大？

宇宙的大小

如果我們能喝一杯八倍意式超濃縮咖啡并且以極快的速度飛過整個(gè)宇宙，那么我們會(huì)更清楚地知道物質(zhì)在宇宙中是如何排布的，更重要的是，我們會(huì)知道宇宙能延伸到多遠(yuǎn)的地方。

遺憾的是，大多數(shù)咖啡店頂多提供四倍意式超濃縮咖啡 ，而且我們?cè)谟钪嬷袞|奔西跑并到處拍照的速度有上限。這意味著在開發(fā)出曲速引擎（warp drive）之前，我們只能試著利用從遼闊的外部世界來到地球的信息回答這些問題。

來自外太空的光讓我們看到了怪異而美麗的宇宙畫面，但光只有138億年的時(shí)間可以到達(dá)我們這里。這意味著在138億光年之外，任何物體對(duì)于我們來說都是不可見的?？赡苡行窍的敲创蟮乃{(lán)色巨龍?jiān)谖覀兊囊暰€之外又蹦又跳、吞云吐霧，我們卻不知道。當(dāng)然，沒有證據(jù)表明這樣的龍存在，但是我們視野之外的東西又有多大可能跟我們身邊的東西一樣呢？自然的世界充滿了古怪離奇和出人意料的東西，等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

可觀測(cè)宇宙是非常大的。我們看不到外面有什么，但我們?nèi)阅芟胂笏卸啻?。以下是幾種可能。

A.因?yàn)闆]有什么能跑得比光速還快，所以可觀測(cè)宇宙的半徑一定是宇宙的年齡與光速的乘積，也就是138億光年。

B.因?yàn)榭臻g本身可以擴(kuò)張得比光速快，所以我們可以看到原本在我們的視野之中后來又超越了我們視野的東西。因此，可觀測(cè)宇宙的半徑最大為465億光年。

C.可觀測(cè)宇宙是最偏遠(yuǎn)的兩家星巴克咖啡店之間的距離，新的分店建成速度太快，科學(xué)家目前無從得知可觀測(cè)宇宙的半徑。

正確答案是B。因?yàn)榭臻g在擴(kuò)張，所以我們能看到那些曾經(jīng)離我們比較近的東西?？捎^測(cè)宇宙要比光速乘宇宙的年齡大得多，這就是我們可以看到的宇宙。

好消息是，我們可以看到幾十億個(gè)星系里1021顆恒星中的1080～1090個(gè)粒子。另一個(gè)好消息是，可觀測(cè)宇宙的半徑在以每年至少1光年的速度增長(zhǎng)，我們不用為這種增長(zhǎng)做任何事。 我們要感謝數(shù)學(xué)的威力。按體積算，可觀測(cè)宇宙的增長(zhǎng)更加驚人，因?yàn)槊磕暝鲩L(zhǎng)的空間都比上一年更大。你永遠(yuǎn)也不會(huì)有機(jī)會(huì)踏足的絕美星系已經(jīng)多得讓你無法理解了。

但事情并沒有那么簡(jiǎn)單。宇宙萬物都在遠(yuǎn)離我們，與此同時(shí)，空間本身也在擴(kuò)張。有一些東西與我們的距離增加得太快，來自它們的光永遠(yuǎn)也無法到達(dá)我們這里。換句話說，可觀測(cè)宇宙可能永遠(yuǎn)也無法追上真實(shí)的宇宙，這意味著我們可能永遠(yuǎn)也看不到宇宙中的一切。

壞消息是，我們不知道宇宙的確切范圍。事實(shí)上，我們可能永遠(yuǎn)也不會(huì)知道這個(gè)。如果你想成為宇宙制圖師，那這個(gè)消息就太糟糕了。

讓我們猜一猜

宇宙有多大？讓我們來猜一猜。

也許無限空間中存在有限宇宙

也許，宇宙的大小是有限的，只不過空間擴(kuò)張使我們無法看到宇宙的邊界。一些科學(xué)家研究了這種可能性，并試圖通過聽起來合理的假設(shè)估計(jì)宇宙的大小。以下是幾個(gè)例子。

?在暴脹之前，宇宙的大小差不多等于光速乘以它存在的時(shí)間，因?yàn)榭臻g還沒有開始伸展。

?宇宙中的粒子數(shù)量是一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)字。

?沒有人知道比1020更大的數(shù)字是個(gè)什么概念，所以你基本上可以隨便猜一個(gè)數(shù)。

將這些假設(shè)與人們當(dāng)前對(duì)于宇宙大爆炸和暗能量的了解相結(jié)合，你就能得到關(guān)于宇宙大小的一個(gè)估計(jì)值。

但這個(gè)估計(jì)值的具體數(shù)字可能多達(dá)1020個(gè)。如果這聽起來依然是個(gè)懸而未決的問題，那就對(duì)了。如果有人說你的房子面積在2000平方米到1023平方米之間，那你立馬就知道他在瞎猜。即使你相信宇宙中物質(zhì)數(shù)量有限這一未經(jīng)證實(shí)的假設(shè)，你仍然不知道宇宙有多大。

盡管存在這些不確定性，在某些情況下我們?nèi)杂锌赡苡?jì)算出宇宙的大小。

也許有限空間中存在有限宇宙

如果宇宙的確是彎曲的，那么空間也許就像球體的表面，屬于三維甚至更高的維度。在那種情況下，空間本身是有限的。它繞著自己轉(zhuǎn)了個(gè)大圈，朝著一個(gè)方向前進(jìn)并最終回到了出發(fā)的地方。這可能令人震驚，但我們至少能知道宇宙是有限的而不是無限的。

這樣的情景讓人頭大。光在這樣的宇宙中也會(huì)繞圈（這里假設(shè)這一圈足夠?。?，甚至有可能不止一次地經(jīng)過地球。這是我們有可能看到的現(xiàn)象！這意味著你會(huì)在天空中多次看到同樣的天體—這個(gè)天體的光每繞一圈你就會(huì)看到它一次。 遺憾的是，科學(xué)家試圖在星系結(jié)構(gòu)和宇宙微波背景中找尋這樣的效應(yīng)，卻沒有發(fā)現(xiàn)任何證據(jù)。如果宇宙是有限的而且會(huì)繞圈，它一定是比我們能看到的部分要大。

也許宇宙是無限的

空間可能是無限的，它所容納的物質(zhì)和能量也是無限的。這是一個(gè)令人匪夷所思的可能，因?yàn)闊o限是一個(gè)奇怪的概念。這意味著宇宙中的各個(gè)角落正在發(fā)生一切可能發(fā)生的事情。一件事不管有多離奇，只要它發(fā)生的可能性不為零，它就能發(fā)生。在無限的宇宙中，有某個(gè)跟你非常像的人讀著這本書印在波點(diǎn)帆布上的版本。在無限的宇宙中，有居住著藍(lán)色巨龍的行星，每條龍的名字都是塞繆爾，它們總是搞不清楚誰是誰。這些聽起來是不是很離奇？沒錯(cuò)。但是在無限的宇宙中，任何可能發(fā)生的事都會(huì)發(fā)生。想知道某件事在無限的宇宙中會(huì)發(fā)生多少次，你只要用它發(fā)生的概率乘以無窮大就好。任何事，只要概率不為零，它就一定會(huì)發(fā)生—而且會(huì)發(fā)生無窮多次。也就是說，無限的宇宙中有無窮多住滿了糊涂藍(lán)巨龍的行星。怎么樣，是不是腦洞大開？

但是無限宇宙中的景象與我們所看到的一切相符嗎？無限宇宙也是通過大爆炸形成的嗎？是的，只要你不再假設(shè)宇宙大爆炸是從一個(gè)點(diǎn)開始的。你可以想象一下，宇宙大爆炸同時(shí)發(fā)生在各個(gè)地方。這太燒腦了，但這恰恰與我們觀察到的現(xiàn)象一致。在這樣一個(gè)宇宙中，宇宙大爆炸會(huì)在各個(gè)地方同時(shí)發(fā)生。

以上哪一個(gè)才是真實(shí)的情況呢？我們不知道。

為什么宇宙這么空？

另一個(gè)關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)的重要謎題是：為什么宇宙這么空？為什么恒星和星系之間會(huì)有這樣的距離？

太陽(yáng)系的寬度大約是90億千米，離我們最近的恒星在大約40000億千米遠(yuǎn)的地方。我們的銀河系有大約10萬光年寬，離我們最近的仙女座星系卻在大約250萬光年遠(yuǎn)的地方。

無論空間有多大，也無論它是什么形狀，宇宙中都有足夠的地方讓各種東西離得更近一些。難不成某個(gè)宇宙家長(zhǎng)故意讓自己的孩子分開，防止它們?cè)诤笞蠣?zhēng)吵？

幸運(yùn)的是，“空曠”只是角度問題，我們可以把這個(gè)問題劃分為兩個(gè)不同的問題。

1. 為什么我們不能比光速更快？

2. 為什么空間會(huì)因宇宙大爆炸膨脹至今？

光速是我們?cè)谟钪嬷泻饬窟h(yuǎn)近的標(biāo)尺。如果光速比現(xiàn)在快得多，那么我們就能看得更遠(yuǎn)、行進(jìn)得更快，宇宙中的事物看起來也不會(huì)那么遠(yuǎn)了。如果光速比現(xiàn)在要慢，那我們就更不可能造訪附近的星星或者是向它們發(fā)送短信了。 

另一方面，我們也不能全怪光速。如果宇宙大爆炸沒有讓空間在一瞬間膨脹太多太多，那么今天的萬事萬物都將離得更近。如果暗能量沒有把一切都推得越來越遠(yuǎn)，那么星際旅行的前景也不會(huì)每時(shí)每刻都變得更為暗淡。 我們可以想象一個(gè)適當(dāng)膨脹的宇宙，那個(gè)宇宙不會(huì)像我們的宇宙一樣大得離譜。

所以，宇宙的空曠要?dú)w因于兩個(gè)量的作用，一個(gè)是決定了距離尺度的光速，另一個(gè)是把萬事萬物都拉得更遠(yuǎn)的空間膨脹。我們不知道它們?yōu)槭裁词乾F(xiàn)在這樣，但如果你對(duì)它們做出了更改，你就將得到一個(gè)與我們的宇宙看起來截然不同的另一個(gè)宇宙。我們有這么多巨大的謎團(tuán)，但只有一個(gè)宇宙可以研究，所以我們不知道這是不是宇宙組織的唯一方式。我們不知道別的宇宙會(huì)不會(huì)有非常小的膨脹，那里的人會(huì)不會(huì)比我們更加親近彼此。

總結(jié)

當(dāng)你一邊品熱咖啡一邊仰望星空時(shí)，別忘了反思這個(gè)事實(shí)：我們關(guān)于宇宙大小和結(jié)構(gòu)的所有知識(shí)都來自我們?cè)诘厍蛏纤芸吹降那闆r。當(dāng)然，我們已經(jīng)向其他行星派出了探測(cè)器，也向太空發(fā)射了望遠(yuǎn)鏡，甚至還把人送上了月球，但是從宇宙的角度來看，我們基本上只是在原地打轉(zhuǎn)。我們對(duì)于宇宙的了解全部基于我們從宇宙的某個(gè)角落進(jìn)行的觀察和猜測(cè)。

處在這樣一個(gè)普通的位置，我們已經(jīng)回答了一些年代久遠(yuǎn)的問題（天上的星星是什么？它們?yōu)槭裁磿?huì)移動(dòng)？），也糾正了一些長(zhǎng)期存在的錯(cuò)誤觀念（我們處在宇宙的中心）。

但是然后呢？我們的宇宙是有限的還是無限的？幾十億年后，宇宙的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生什么變化？這些問題的答案將大大影響我們對(duì)宇宙和人類自身的看法。

《一想到還有95%的問題留給人類我就放心了》

[巴拿馬]豪爾赫·陳 [美]丹尼爾·懷特森 著

茍利軍 張曉佳 郝小楠 等譯

北京聯(lián)合出版公司2018年12月出版