説到雄心壯志,除了知道宇宙的一切之外,再沒有什麼別的要求了。這是終極的科學夢想:不僅要儘可能全面和深入地理解支配現實的規律,還要理解從宇宙誕生的那一刻到現在,存在的每一個粒子是如何運動的。
但這個夢想不一定是我們能夠實現的,即使有好的設備和理想的觀察方法也很難。儘管宇宙如此浩瀚,我們現在和將來能觀測到的那部分宇宙仍然是有限的。在我們可觀測的宇宙中,粒子的數量是有限的,能量也是有限的,我們能收集到的信息也是有限的。以下是我們所知道的關於知識的科學極限。
大爆炸之後,宇宙幾乎完全均勻,充滿了物質、能量和輻射,處於快速膨脹狀態。隨着時間的推移,宇宙不僅形成了元素、原子、團簇和星團,形成了恆星和星系,而且在整個時間裏不斷膨脹和冷卻。無一可與之匹敵,但宇宙並沒有教會我們一切,包括(尤其是)最開始的時候。
想想大爆炸,我們今天居住的宇宙是以一種高温高密度的的狀態產生並膨脹繼而冷卻最後形成的。回想一下138億年前的那個時刻。即使空間本身的結構在膨脹,即使光可以以終極宇宙速度(光速)穿過空間,我們能看到的距離也是有限的。
無論宇宙的結構膨脹得有多快,光速有多快,大爆炸以來經過了多少時間,這些性質都不是無限的。因此,我們只能看到有限的距離,可觀測的宇宙中只有有限數量的物質。我們能獲得的信息是有限的。
以我們的角度來看,可觀測的宇宙大小可能有460億光年,但肯定有更多的不可觀測的宇宙,甚至可能是無限的,就像我們的宇宙一樣。隨着時間的推移,我們將能夠看到更多的星系,最終所發現的大概會是我們目前所能看到的星系數量的2.3倍。即使是我們從未見過的部分,也有我們想了解的東西。我們所做的並不是徒勞無功。
我們知道在我們的星系中有多少星球(大約4000億顆),在整個可見的宇宙中有多少星系(大約2萬億個)。我們知道宇宙是如何聚集成星系羣、星系團和超星系團的,也知道它們是如何被巨大的宇宙空間分隔開的。我們知道定義這些結構的宇宙範圍,以及宇宙是如何隨時間演變的。
重子聲學振盪導致的聚集模式的證明了,在一定距離內發現一個星系的可能性取決於暗物質、正常物質和包括中微子在內的所有類型輻射之間的關係。當宇宙膨脹時,這個特徵距離也會膨脹,這使我們能夠測量哈勃常數、暗物質密度和其他隨時間變化的宇宙參數。大規模結構和普朗克數據必須一致。
這個理論在大爆炸和廣義相對論的框架下完美地結合在一起,美妙萬分。當我們發現一個星系的測量距離與它離我們的明顯衰退速度相關時,它提供了一種有趣而革命性的可能性。也許這些星系並不是都在遠離我們的位置,而是空間本身的結構在膨脹。
如果是這樣的話,那麼宇宙不僅會膨脹而且會冷卻,因為隨着時間的推移,光的波長會被拉伸到越來越低的能量級。我們應該看到一種殘留的發光,其特殊性質可以追溯到最早的時代:宇宙微波背景。我們應該看到一個發展的宇宙結構。我們應該發現,最早的氣體雲應該有特定比例的輕元素,根本不存在重元素。
宇宙膨脹的視覺歷史包括被稱為大爆炸的高熱高密度狀態,以及隨後宇宙結構的生長和形成。一整套的數據,包括對輕元素和宇宙微波背景的觀測,只留下大爆炸作為我們所看到的一切的合理解釋。隨着宇宙膨脹,它也會冷卻,使離子、中性原子、分子、氣體雲、恆星和星系得以形成。
所有這些預測以及更多關於早期宇宙的預測已經被證實。這形成了現今的宇宙,我們知道我們的宇宙開始於一個更熱、更密集、更均勻、更快速膨脹的狀態:也就是我們所知道的熱大爆炸。
因此,人們很容易認為大爆炸就是宇宙的開端。你可能會想,如果我們能理解宇宙的起源,以及支配現實的法則,我們就能知道所有存在中發生的一切。我們所需要做的就是利用物理定律來推斷。但是,當我們天真地推斷出宇宙的最初階段,並將我們所期待的與我們所觀察到的進行比較時,就會發現事實並非如此。
如果宇宙的密度稍微高一點,它就已經重新坍縮了;如果它的密度稍微低一點,它就會膨脹得更快,變得更大。大爆炸本身並沒有解釋為什麼宇宙誕生時的初始膨脹率如此完美地平衡了總能量密度,根本沒有給空間曲率留下空間。我們的宇宙在空間上顯得完美而平坦。
這裏就有一些很重要的疑問,如果你試着回到宇宙的最開始狀態,除非宇宙的初始膨脹率和初始能量密度達到完美的平衡,否則宇宙將會膨脹到湮滅,或者幾乎是立即重新摺疊,永遠不會形成恆星或星系。
除非有什麼東西使宇宙各處的温度相同——這是已被證實的東西——宇宙應當在不同的方向會有不同的温度。按照過去的推斷,宇宙中原本應該充滿了從未被探測到的高能殘留。
然而,當我們觀察我們的宇宙時,它確實有恆星和星系,各個方向的温度都是一樣的,它沒有這些高能慘嘍。在上圖中,我們的現代宇宙到處都有相同的屬性(包括温度),因為它們都起源於一個具有相同屬性的區域。在中間的面板中,可以有任意曲率的空間被膨脹到我們今天無法觀察到任何曲率的程度,從而解決了平面度問題。而在底部的面板中,原有的高能遺留被膨脹走了,解決了高能遺留的問題。暴脹就是如此解決大爆炸無法單獨解釋的三大難題的。
這些問題的解決方案是宇宙暴脹理論,它用指數膨脹的空間週期取代了奇點的概念,並預測了大爆炸本身無法預測的初始條件。此外,暴漲理論還對我們在宇宙中看到的現象做出了另外六種預測:
在高温大爆炸中達到的最高温度遠低於普朗克能量尺度。
自宇宙大爆炸以來,超視界的波動,或者比光更大尺度上的温度/密度波動的存在是可能的。
密度波動是100%絕熱和0%等曲率的。
密度波動的範圍幾乎完全不動,但在大範圍上比小範圍上的波動幅度稍大。
一個近乎完美的平坦宇宙,量子效應產生的曲率在0.01%或以下。
一個充滿原始引力波背景的宇宙,應該會在大爆炸的餘輝上留下自己的印記。
前5個已經被證實或在我們的最大觀測能力範圍內儘可能被證實,而第6個假設仍然難以被觀測證實。
宇宙微波背景中的波動,由宇宙背景探測器(大範圍)、威爾金森微波各向異性探測器(中等範圍)、普朗克(小範圍)所測定,不僅與尺度不變的量子波動集一致,而且星等如此之低以至於不可能是從任意的高温高密度狀態中產生。水平線代表波動的初始光譜(暴脹),而左右擺動的一段則代表重力、輻射/物質相互作用是如何形成早期的膨脹宇宙的。宇宙微波背景中有一些很關鍵的證據可以證明暴脹的存在。
但現在我們遇到了一個問題。一個重要的,關乎我們存在的問題。我們可以觀察我們的宇宙並運用可得的證據去構建大爆炸的概念,然後再做出新的預測來檢測大爆炸的真實性。
關於大爆炸的未被解釋的問題是有助於我們完善暴脹理論,從而複製大爆炸理論的成功。解釋這些疑問,就能對可觀察的後果做出新的預測。
上述所説都是科學成功的光輝實例。但你應該想去得到更多。下一個關於我們起源的問題自然是,宇宙暴脹從何而起?
我們的宇宙歷史已經被理論解釋的很完美,但僅限於定性階段。這是通過觀測確認宇宙過去的不同階段所發生的事件,比如最初的星球和星系如何產生,宇宙如何慢慢膨脹,我們才能真正理解我們的宇宙。在熱大爆炸之前,遺留下來的痕跡在我們的宇宙中留下了膨脹狀態的印記,這為我們測試宇宙歷史提供了一種獨特的方法。
宇宙暴脹在過去是否是一種永恆狀態,也就是説它沒有起源一直存在,直到它結束並創造大爆炸的時候?
還是説暴脹是有起源的,在過去的某個有限時間裏從一個非暴脹時空中浮現出來?
亦或是説暴脹是一個循環狀態中的一小部分,遙遠的未來宇宙會再次經歷一次暴脹?
這些問題聽起來很有趣、很困難、也很有説服力,而且還引發了一些有趣的可能性。當然,知道我們的宇宙從何而來不僅僅是描述大爆炸,還要知道大爆炸從何而來。如果起源是暴脹,那麼我們就想知道暴脹從何而來。
暴脹產生的引力波殘留對宇宙微波背景中B模式偏振的貢獻是已知的,但它的振幅取決於某一個特定的暴脹模型。這些來自暴脹的引力波中的B模式尚未被觀測到,這也是暴脹六大預測中唯一一項沒有有力觀測數據支持的預測。
但我們無從得知。這就是我們被宇宙中的信息基本限制的地方,也是我們瞭解宇宙本身的唯一途徑。在我們的宇宙中,我們所觀察到的任何事物,都無法讓我們區分這三種可能性。
除了最精心設計的暴脹模型(其中一些已經被排除了),在所有的模型中,只有最後10^-33秒左右的暴脹才會影響我們的宇宙。暴脹以指數級發展,抹去了之前發生的任何信息,將它與我們所能觀察到的任何東西分離開來,因為關鍵信息已經膨脹至我們的可觀測宇宙之外的地方。
我們可以從暴脹結束和熱大爆炸開始這兩者中描繪出宇宙的歷史。暗物質和暗能量是如今宇宙的必需成分,但它們何時產生尚無定論。我們對宇宙如何起源有一個普遍的觀點,但時常因為更詳實優秀的數據出現而被修正。值得注意的是,暴脹的開端或是暴脹結束前10-33的任何信息,皆不存在於我們的可觀測宇宙中。
留給我們的只是一個龐大的宇宙
半徑為 460億光年
包含約2萬億個星系
總計約10²⁴個恆星
10⁸⁰個原子
還有約10⁹⁰個光子
在所有粒子,反粒子,輻射量子,甚至在真空中所包含的能量總量約為1054千克,其中包括暗物質和暗能量
但這些天文數字般的數量仍是有限的。此外,他們並不包含暴脹前期宇宙的任何信息。大多數可行的暴脹模型都沒有可測試,可觀察的暴脹開端標誌,因此我們無從得知宇宙如何產生。
目前已知的對基本初等(和複合)粒子及力的概述中。提出的一些想法仍然是推測性的。如果我們的目標是對我們的宇宙無所不知,那麼不幸的是我們只有自己的宇宙以供觀察並取得信息。假如必要的標誌已被宇宙自身的運動消除,那麼我們可能永遠也無法得知真相。
我們在宇宙中所能獲得的信息總量是有限的,同理可得我們所能獲得的知識也是如此。我們所用的能量,可供觀察的粒子,能做出的測量都是有限度的。但這不代表着我們已經歇業大吉,或是不再去想着學習我們完全可獲得的知識。我們應當儘可能的將自己的知識提升,越多越好。
要學的還有很多,科學未揭示的也有很多。只要我們繼續下去,現在的未知之物在不久的將來也有可能變成已知之物。但可知的是有限的,預示着有些事情我們也許永遠無法得知。宇宙也許是無限的,但我們對它的認識永遠不會是無限的。
FY: Tommy謝