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第七部分 邁向已知世界之外的第一步 第1章回到起點

你已經親眼見證,我們的可見宇宙並非無限;而地球,更確切地說,你自己就是你可見宇宙的中心。這是一個實用上的事實,關鍵詞是「可見」:從各個方向傳來的光,帶著遙遠過去的信息到達你的眼睛,而每個方向都一樣,使你的宇宙環境呈現球形。這並不意味著整個宇宙就是球狀的,它只表示你所能看到的部分是球狀的。今天你所能看到的最古老的光來自臨界最後散射面,可見宇宙盡頭的那道牆,出發於大約一百三十八億年以前,當宇宙足夠冷卻、開始變得透明的時候。最後散射發生時的宇宙被普遍認為已經有了大約三十八萬年歷史,溫度高達3000°C。在此之後,它膨脹並冷卻,在此之前,它更小,更熱。

因此,可見宇宙是一個以地球為中心的球體,一個包含著所有能到達我們的過往的球體。我們的可見宇宙就像一個巨大的洋蔥,有著由世代構成的層次,最外面的一層,我們可見過去的邊緣,也就是能被觀察到的最早歷史時期,展現的是我們宇宙的光線第一次擺脫物質的束縛,能夠自由移動的時刻。你到過那裡,看見過它。你甚至還曾經穿過這個表面。但那裡還有一些非常奇特的東西。那些非常非常奇特的東西,那個時候你可能沒有注意到。

你還記得那些接受了你價值十幾億美元的望遠鏡資助的朋友們在觀察夜空時發現,不管在哪個方向,哪塊夜空,充滿我們宇宙的輻射基本上可以說都完全相同嗎?這種輻射——宇宙微波背景輻射,是大爆炸理論的堅定支持者。它是證明我們的宇宙歷史上曾經更小更熱的鐵證。但不管是你還是你的朋友都沒有注意到這種輻射如此均勻,對於我們宇宙膨脹的模型來說,不應該如此單調不變。你現在會看到,正是這種極度均勻讓科學家們引入了宇宙暴脹期這一概念,這個時期處於大爆炸發生之前——甚至就是它,在三十八萬年前,宇宙尚未變得透明的時候觸發了大爆炸。

你馬上就要看到,這鋪平了一條道路,將我們引向一種可能性——我們的宇宙有過不止一個,而是無窮多個大爆炸。

讓鄰居們在晚上熄掉所有燈光,你坐在陽台椅子上觀察天空。雖然那些光過於黯淡,你的眼睛無法辨別,但來自宇宙最深處和宇宙微波背景輻射的光線的確進入了你的眼睛。如果用恰當的設備觀察足夠長的時間,你的輻射地圖將顯示宇宙中幾乎所有背景都具有-270.42°C的溫度,比絕對零度高2.73度。現在,帶上你的陽台椅子,去地球的另外一邊,與你原先所在地方完全相對的地點,也就是所謂地球上的「對地」。如果你是在英國某地進行的初始觀察,你現在就應該在太平洋中間某地,周圍沒有燈光。你坐在自己的陽台椅上,下面是漂流艇,你再次凝視星空,收集那些在宇宙中旅行了一百三十八億年最後進入你眼睛的光線。

還是-270.42°C。

完全一樣的溫度。宇宙微波背景輻射。

但絕對沒有理由到處一樣啊。事實上,這種可能性應該完全不存在吧?

到達位於英國的你眼中的宇宙微波背景輻射來自可見宇宙的一邊,而到達位於太平洋中的你眼中的宇宙微波背景輻射則來自可見宇宙的完全相反的另一邊。這兩邊的光源如此遙遠(一百三十八億光年的兩倍距離!),除非有些什麼奇怪的事情發生在中間某個階段,不然在我們宇宙的整個歷史過程中,它們應該不可能相互接觸。

所以它們不應該有著同樣的溫度。

要意識到這有多麼奇怪,不妨拿著一杯熱咖啡走進自己的起居室。

首先,除非你住在火爐裡,一般情況下,你起居室的溫度應該比你的熱咖啡冷,但只要你等足夠久,你的咖啡與房間的溫度應該變得相同,也就是說,兩者都到達一個平衡溫度。你肯定早就注意到了這一點,自從你開始閱讀這本書以來,咖啡總是因為變得太涼而不再可口。

現在將你的咖啡杯放進冰箱,關上冰箱門。過一陣後,又會到達一個新的平衡溫度。一個更低的溫度。

帶著你的飲料旅行到某個炎熱的沙漠,又會帶來新的平衡溫度。這次是更高的溫度。

所有這一切聽起來都很正常。沒什麼奇怪的。

現在,再給你自己倒一杯熱咖啡,將它放回你的起居室。它最後達到的溫度與放在某日本品牌冰箱裡的咖啡一樣的可能性應該很小。

兩個從來沒有接觸過,現在也並不接觸,甚至互相都不知道對方存在的物體或地點沒有任何理由到達同樣的溫度。這聽起來是個很合理的假設,不是嗎?這麼合理的假設在外太空應該也可以適用吧。

要讓位於完全相反方向的「對地」位置的夜空在分別存在了一百三十八億年之後都具有完全一樣的-270.42°C,它們必定在過去某個階段,通過某種方式互相接觸。考慮到宇宙的年齡和它們的膨脹速度,它們之間如此遙遠的距離應該確保了它們沒有任何方式能夠互相接觸甚至交流。除非有些非常非常詭異的事發生。

有些東西,比如說,能以比光速更快的速度運動。

不幸的是,作為信號(意為無論是什麼形式,攜帶信息由一個地方到另一個地方)來說,這不可能。我們這裡談論的不是量子進程,因此,不管這些信號是什麼,它們都不可能獲得比光更快的速度。那是被禁止的現實。

但是,宇宙微波背景輻射溫度就在那裡,所有地方都完全一樣,絕對不可能只是巧合。怎麼會呢?

可能是時空——宇宙本身——成長得比光速還快,在過去的某個階段。

這就是你逆著時間回溯到熱大爆炸發生之前時所看到的現象,就在你進入那個被稱為「暴脹期」的時候,在那時,宇宙中充滿了暴脹場。

早期宇宙有一個暴脹時期的想法被以現代的形式提出是在二十世紀八十年代。提出這一觀點的是美國理論物理學家阿蘭·古斯(Alan Guth),俄羅斯宇宙學家阿列克謝·斯塔羅賓斯基(Alexei Starobinsky)及美籍俄裔理論物理學家安德烈·林德(Andrei Linde)。其基本想法是,很久以前,甚至物質、光和其他我們所知道的所有東西都尚未形成時,在可見宇宙之外,大爆炸之前,存在著一種場,充滿了整個宇宙,帶著互相排斥與引力相反的作用力。那個場非常強大,它引發了一段極為劇烈的膨脹期,那次膨脹將早期宇宙的不同部分以遠遠高於光速的速度炸開,所以今天看起來距離非常遙遠,過去絕對不應該有接觸的地方,實際上曾經緊貼在一起。

這就是暴脹場的來源。

但這是真的嗎?我們能夠像在所有其他量子場的例子中那樣,探測到它的基本粒子嗎?

如果它真的出現過,那麼它的大多數粒子很早之前就已消失了(用來引發大爆炸),但它不應該完全消失。無論如何,暴脹場應該依然存在,充滿了整個宇宙,以自己最低的能量態——真空狀態——蟄伏著,沒有足夠的能量,它不會被激發到足以產生並向我們展示它的粒子的高度。

暴脹子是我們給這種粒子起的名字,不過至今尚未被發現。儘管如此,許多科學家們相信某種暴脹現象以及它們所對應的暴脹場與曾經發生過的歷史非常接近,也因為我個人很喜歡這個想法,就讓我們認真考慮一下這個想法吧,並且看看如果這的確是真的,那麼包含這種場的宇宙應該是個什麼樣子。

首先,暴脹場非常擅長於將我們可見宇宙的不同部分以非常快的速度相互分開,它們從此就再也沒有互相接觸——而且很可能將來也不會——雖然在過去它們曾經接觸過。

然後發生了大爆炸,它帶來的所有新的場、粒子和作用力攜帶者都在正在消退的暴脹場中產生,而暴脹場則慢慢沉寂下來。

我們宇宙的膨脹開始了。正常速度的膨脹,而不是超級快的那種暴脹。

暴脹場並未完全消失,引發大爆炸耗盡了它所含的太多能量,它已無法再對所有東西產生任何影響,直到……八十億年之後。

大爆炸之後八十億年,我們宇宙穩定膨脹之後八十億年,暴脹場所產生的物質已經足夠稀釋,沉寂中的暴脹場再次醒來,帶來了極大的效應:它對抗引力的作用引發了宇宙膨脹的加速。

一九九八年對於這種加速的實驗驗證讓波爾馬特、施密特與裡斯獲得了二一一年度的諾貝爾物理學獎。

當然,對於在大爆炸前的暴脹期將宇宙中的一切炸開時,暴脹場對我們宇宙現在行為的影響完全無法與之相比。但依然,它或許還是影響了等在我們未來的現實。

從地球上看到的相反方向的對地宇宙,現在看起來已經過於遙遠,無法交流,但在大爆炸之前,兩者就在一起。因此,對地的夜空有了看上去相同的理由,它們也的確相同。

現在,我們引入的這個全新的場——暴脹場,只是為了找到一個擺脫謎團的道路而創造出來的聰明戲法,以解釋地球上相反方向的對地夜空為什麼具有完全相同的溫度,還是暴脹真的發生過?我們有沒有可能證實這件事?

難以置信地,答案是肯定的。

  1. 順便提一下,這與愛因斯坦對於任何東西都不能以超過光速運動這一限制並不矛盾,因為在這裡,發生膨脹的是時空本身,而不是在時空中運動的信號的速度。兩個物體以超過光速的速度互相遠離將永遠,也從來不會被觀察到。​​​​​