即便是在霍金如日中天的时候,他也很难回答下面这个问题。
提问:请想一下,假如光朝一个方向一直飞,最终会回到原地,那么我们在宇宙中应该就可以观察到很多星系的镜像,一个星系发出的光,每跑一圈,就应该能产生一个镜像。但问题是,为什么我们并没有观察到这样的星系镜像,或者叫做星系重影的现象呢?
霍金对此的解释是:
这有两种可能,一种可能是我们人类的天文望远镜还太弱,看不到遥远的暗淡的重影。另一种可能是,宇宙很大,大到目前还没有哪个星系的光能跑完一圈。
这两种解释在当时勉强能说得过去,毕竟,1988 年的时候,哈勃太空望远镜还没有上天。
但是,当哈勃太空望远镜上天后,它的观测能力无与伦比,都已经能看到 130 多亿光年外的遥远天体了,也就是我们看到了是宇宙 130 亿年前的样子,而宇宙的年龄是 138 亿岁,所以,那时候的宇宙还处在幼年期,肯定要比现在的宇宙小得多,怎么还是看不到任何星系的重影呢?
01 寻找弯曲的证据
在很长一段时间中,霍金的宇宙模型在科学界一直占据着统治地位,大多数天文学家都相信这个模型。并且正因为相信,许多天文学家都在孜孜不倦地寻找在大尺度上,宇宙是弯曲的证据。
要知道,虽然我们身处在宇宙中,但这并不意味着我们找不到宇宙弯曲的证据。
这就好像,我们生活在地球上,虽然古人无法飞到天上去看地球,但人类很早就发现了地球是球形的证据。早在 2000 多年前的古希腊时代,亚里士多德就提出了三条球形大地的证据:
第一个证据:在海上看远远向着自己开来的帆船,总是先看到帆船的桅杆,再看到船身。
第二个证据:朝着北极星的方向一直走,那么就会观察到,前方就会慢慢升起一些星星,而身后会落下一些星星。
第三个证据:发生月食的时候,地球在月球上投下的阴影,边缘是一根弧线。
其实,只要有了一些最基础的几何学知识,就很容易找到球形大地的证据。
我举个例子,我们学过平面几何都知道,平面上的一个三角形,内角和是 180 度,这很容易证明。但如果我们在篮球上画一个三角形,它的内角和就不再是 180 度了,而是大于 180 度。如果我们在地球上画出一个这样巨大的三角形,它的内角和可以达到 230°。所以,我们只要在相距很远的三个点上树立几根标杆,然后测量在地球表面上形成的三角形的内角,把它们相加,只要内角和大于 180 度,就可以证明大地不是平直的。甚至,可以通过内角和是多少度来计算出大地的曲率是多少。
我跟你讲这些,只是为了向你证明,我们虽然身处宇宙中,但科学家们可以找到很多办法来测量宇宙空间的曲率。当然,科学家们具体采用的方法并不是普通人很容易理解的方法,要比测量三角形的内角和复杂得多,但也精确得多。
02 BOSS 发话:宇宙是平的?!
从 2009 年开始,有一项由美国主导的大型宇宙空间曲率的观测项目启动,这个项目的全称我说出来没人记得住,叫什么重子振动分光镜勘测,它的科学原理也极其复杂,一点不脸红地说,我也看不懂。但是,这个项目的英文简称却特别好记,就是 BOSS,跟英文“老板”的拼写是一样的。
2014 年 1 月,BOSS 宣布:从大尺度上来看,我们的宇宙空间异乎寻常的平直。
换句话说,BOSS 穷尽了自己的所有观测手段,也没能看到宇宙空间有一丝一毫的弯曲,且误差只有 1%。如果翻译成人话就是:我有 99% 的把握说,在我的观测能力下,宇宙是完全平坦的。
在我们科普圈,有一句名言:非同寻常的主张需要非同寻常的证据。这也是我最喜欢挂在嘴边的一句。不管是主张宇宙空间是弯曲的,还是平直的,其实,都算是非同寻常的主张,都需要有过硬的证据才行。
只有 BOSS 的一项证据是不够的。我们还需要更多的证据,并且,这个证据最好还是来自于不同的测量方法,这样就更有独立性。测量宇宙的空间曲率还有什么办法呢?
03 广义相对论出手了
还有一个间接的方法,虽然间接,但物理学家们都认为这个方法很靠谱,因为这个方法是根据爱因斯坦的广义相对论推理出来的方法。换句话说,只要广义相对论是对的,这个方法就是很靠谱的,除非广义相对论本身是错误的。
但广义相对论实在是太成功了,迄今为止,广义相对论做出的几乎所有预言都被一一证实了。可能你有所不知,像宇宙微波背景辐射、中子星、黑洞、恒星演化的过程、星系演化的过程这些都是广义相对论的预言,它们都被天文观测证实。
2016 年,广义相对论的另外一个最重要的预言,也就是引力波被证实时,广义相对论可以说已经走向了神坛,它已经成了物理学中最成功的理论,没有之一。根据广义相对论,质量和能量都能让空间发生弯曲。
那么我们只要统计一下宇宙里大概有多少的质能,就可以知道空间是怎么弯曲的。科学家把已知的可见物质,还有像什么暗物质、暗能量这些质能都加在一起,就可以测量出宇宙的质能密度。总之,你只要知道,我们现在把宇宙中所有的质量和能量全部考虑进去,用广义相对论,可以计算出“临界质能密度”,然后把观测的质能密度除以临界质能密度,得到一个数值,用希腊字母 Ω 表示。
如果 Ω>1,那就说明宇宙里物质比较多,引力比较大,宇宙空间的曲率就是正的,那么宇宙就像一个球一样弯曲;如果 Ω<1,那就说明物质比较少,引力比较小,那么宇宙就会是一个像马鞍形一样的空间,是开放的。如果 Ω 恰好等于 1,说明宇宙就是完全平坦的,没有一丝一毫的弯曲。
04 令人震惊的 Ω 值
差不多从 2000 年开始,人类就不断地发射可以测量宇宙质能密度的天文探测卫星上天,像什么威尔金森探测器、WMAP 探测器、普朗克卫星等等,都具备这个功能。然后,你们可以猜猜看,测量结果是什么?
让科学家们都感到很不可思议的是,所有的探测器返回的结果,Ω 都是 1,我们无论怎么提高探测精度,都是同样的结果。这是不是有点儿像科幻小说《三体》的情节?人类首次遇到三体文明的探测器,长得像一颗水滴,它的表面无限光滑,无论我们怎么放大它的表面,看到的都是完全光滑的表面。
这里岔开一句话,其实这个创意最早自于阿瑟·克拉克的科幻小说《2001 太空漫游》,说外星人在月球上树立了一块黑色的碑,这块碑的长、宽、高之比是一个固定的数值 1:4:9,无论地球人用多么高的精度去测量,这个比值都是纹丝不动的,外星人就是用这种方式来展示他们文明的强大。
现在,人类测量 Ω 的数值就很像是科幻小说中的这个情节,无论我们怎么提高探测精度,Ω 都锁死在 1 上,宇宙就是用这种方式向我们展示了它神秘莫测的性质。那我们现在的精度到底到了多少呢?是 ±0.4%。换句话说,人类已经把 Ω 的数值锁定在 1 ± 0.004 这个数值上。你可能会觉得 0.004 看上去,精度也不算很高嘛,其实这个精度很高,我换个讲法,你可能就能理解这个精度有多高了。
Ω= 1 我们可以近似地理解为,整个宇宙,平均来说,在每立方米的空间中恰好拥有 5 个氢原子。我们不妨再做个数量上的类比转换。假设我们把一个氢原子放大到一颗绿豆那么大,然后,我们在地球上造一个边长为 500 公里的巨大立方体,把这 5 颗绿豆放进去。现在我们的测量精度是说,在这个空间中,是 5 ± 0.004 颗绿豆。你体会一下这个测量精度,是不是已经很厉害了?
因为测量精度已经到这种程度了,所以,现在越来越多的宇宙学家都开始转向支持平坦宇宙假说,并且已经成为了今天的主流。既然宇宙是完全平坦的,那我们只能认为,宇宙是无限大的,你朝宇宙的任意一个方向一直飞下去,永远永远也飞不到尽头,这就是科学共同体当下对宇宙大小的最新理解。
当然,看到这里,我猜还是会有很多人对无限大这个概念感到不可思议,怎么就能无穷无尽,无限下去呢?保持这个悬念,我们下期再聊。