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撰寫：Ethan Siegel,；Paul Sutter
來源：Forbes Science,；Live Science
翻譯：任天
工廠批發(fā)微信:【NKKK78】,,
迷奇
盡管天文學(xué)家已經(jīng)對宇宙有了很深入的了解，但仍有許多問題沒有得到答案,。我們不知道宇宙是否會永遠存在,；我們也不知道宇宙就范圍而言是有限的還是無限的，我們只知道,，宇宙的物理尺寸一定大于我們所能觀察到的部分,；我們更不知道我們所處的宇宙是否包含了所有存在的東西，抑或只是構(gòu)成多元宇宙的眾多宇宙之一。我們同樣不知道宇宙的最早期階段——大爆炸的第一個剎那——發(fā)生了什么,，我們沒有找到必要的證據(jù)去得出一個可靠的結(jié)論,。
但有一件事我們是可以肯定的，那就是宇宙存在著邊緣：不是在空間上,，而是在時間上。這是因為,，大爆炸發(fā)生在過去已知的有限時間內(nèi),，即138億年前，不確定性范圍小于1%,，即使在光速這一終極宇宙速度的極限下,，我們所能看到的最遠距離也是有限的，宇宙存在一個我們能了解其距離的“邊緣”,，也許我們?nèi)孕枋崂硪槐闀r間線,，看得越遠，能看到的時間便越早,。
早期的宇宙
如果你厭倦了大爆炸理論,，想要對宇宙學(xué)做出自己的解釋,，那很好,，但你必須弄清楚一些問題，比如宇宙的膨脹,，以及宇宙初期圖像中的斑點,。換句話說，你必須找到比暴脹理論更好的解釋,。
這看起來很簡單,，其實不然。宇宙早期的壓強,、密度和溫度差異已經(jīng)困擾了許多其他的宇宙理論,，包括最流行的火宇宙（ekpyrotic universe）理論。這是一種古老的哲學(xué)思想,，“ekpyrotic”這個詞在希臘語中的意思是“大火”,。古希臘斯多葛學(xué)派認為宇宙就是一團大火，處在誕生,、冷卻和再生的永恒循環(huán)中,。
在火宇宙模型中，宇宙不斷循環(huán),，而我們目前正處于“爆炸”階段,，最終會（以某種方式）慢下來,，停止，逆轉(zhuǎn),，并壓縮回到難以置信的高溫和高壓狀態(tài)。然后,，宇宙將（以某種方式）反彈回來,，并在新的大爆炸階段重新點燃。
問題在于,，我們很難在火宇宙中復(fù)制宇宙早期圖像中的斑點和斑塊,。當我們試圖拼湊一些模糊的物理學(xué)觀點來解釋“擠壓—反彈—爆炸”的循環(huán)時（這里要強調(diào)“模糊”，因為已知的物理學(xué)還無法理解過程中涉及的一些能量和尺度）,，所有的東西都過于平坦,。沒有凸起，沒有擺動,，也沒有斑點,，更沒有溫度、壓強和密度的差別,。
這不僅僅意味著這些理論與早期宇宙的觀測結(jié)果不符,，也意味著這些宇宙理論不能解釋一個充滿星系、恒星甚至人類的宇宙,。
這有點令人失望,。
早期的星系
今天，我們看到的宇宙是大爆炸發(fā)生138億年后的樣子,。我們看到的大多數(shù)星系聚集在一起,，形成星系群（如本星系群）和星系團（如室女座星系團），它們被所謂的“空洞”分隔開來,。這些星系群中既有螺旋星系,，也有橢圓星系，其中類似銀河系的典型星系平均每年可以形成1顆像太陽一樣的新恒星,。
此外,，宇宙中的常規(guī)物質(zhì)主要由氫和氦組成，但還有大約1%到2%的常規(guī)物質(zhì)由周期表中的重元素組成,，使得像地球這樣的巖石行星得以形成,，并產(chǎn)生復(fù)雜的，甚至有機的化學(xué)反應(yīng),。盡管星系之間有很多差別,，比如一些星系十分活躍，恒星不斷形成；一些星系具有活躍的黑洞,，而另一些卻幾十億年都沒有任何新的恒星形成,，不一而足，但通常而言,，我們所看到的星系都十分龐大,，經(jīng)過了漫長的演變而聚集在一起。
然而,，如果我們向更遠的宇宙望去,，也就是回望更早的宇宙，就會看到宇宙是如何成長成現(xiàn)在這樣的,。在更遠的宇宙中，我們會發(fā)現(xiàn)星系團的規(guī)模稍微小一些,，也稍微均勻一些,，尤其是在更大的尺度上。我們會看到星系的質(zhì)量更低,，演變特征也更少,，螺旋星系更多，橢圓星系更少,。平均而言,，這些星系中藍色恒星的比例更大，其過往的恒星形成率也更高,。盡管星系之間的空間變小,，但早期星系群和星系團的整體質(zhì)量也變小了。
在這幅宇宙的圖景中,，今天的星系是由規(guī)模更小,、質(zhì)量更低的星系在宇宙的時間尺度上合并而成的，并逐漸發(fā)展成為宇宙中最龐大的結(jié)構(gòu)之一,。與如今的星系相比,，早期宇宙中星系的特點包括以下幾個方面：
?規(guī)模較小,；
?質(zhì)量較低,；
?聚集得更加緊密；
?數(shù)量更多,；
?呈現(xiàn)藍色,；
?含有更多氣體；
?恒星形成速率較高,；
?重元素的比例較少,。
望向更早宇宙
但是，隨著我們看向越來越遠的宇宙，走向越來越早的時間,，這種逐漸變化的圖景就突然開始急速轉(zhuǎn)變,。當我們看向目前距離我們約190億光年的地方時，對應(yīng)的便是大爆炸僅30億年之后的宇宙,；我們會看到,，宇宙的恒星形成速率達到了最大值，大約是今天新恒星形成速率的20到30倍,。相當一部分超大質(zhì)量黑洞這個時候都很活躍,，由于周圍物質(zhì)的消耗，它們釋放出大量的粒子和輻射,。
在過去的大約110億年里,，宇宙的演化速度一直在減慢。當然,，引力繼續(xù)使宇宙結(jié)構(gòu)坍縮,，但暗能量開始與其對抗，并在60億年前主宰了宇宙的膨脹,。新的恒星繼續(xù)形成,，但恒星形成的高峰已經(jīng)是遙遠的過去。超大質(zhì)量黑洞繼續(xù)增長,，但最“明亮”的時候早已過去,。與早期相比，更多的黑洞如今已變得暗淡和不活躍,。
當我們離開地球越來越遠,，越來越接近由大爆炸開端所定義的“邊緣”時，會開始看到更顯著的變化,。190億光年的距離對應(yīng)于宇宙只有30億歲的時候,，是恒星形成的高峰期，此時宇宙中可能有0.3%到0.5%的重元素,。
當我們靠近270億光年之外的距離時,，對應(yīng)的宇宙年齡只有10億年。此時的恒星結(jié)構(gòu)要小得多,，因為新恒星形成的速率大約只有后來峰值時的四分之一,。由重元素組成的常規(guī)物質(zhì)的比例急劇下降：在10億歲時降至0.1%，在5億歲左右時降至僅為0.01%,。在這樣的早期環(huán)境中,，巖石行星可能無法形成。
在這個距離上,，不僅宇宙微波背景輻射會更強烈——應(yīng)該是紅外波段而不是微波波段——而且宇宙中的每個星系都應(yīng)該是年輕的,，充滿了年輕的恒星,；橢圓星系在如此早期的宇宙中可能還沒有出現(xiàn)。
想要看到比這更早期的宇宙,，確實突破了人類現(xiàn)有儀器的極限,，但是凱克望遠鏡、斯皮策空間望遠鏡和哈勃太空望遠鏡等已經(jīng)開始將我們帶到那里,。一旦到達大約290億光年或更遠的距離——對應(yīng)的宇宙年齡為7億到8億年——我們就開始進入宇宙的第一個“邊緣”：透明的邊緣,。
今天我們理所當然地認為，這個空間對可見光是透明的,，但這只是因為其中沒有充滿阻擋光的物質(zhì),，比如塵埃或中性氣體,。但在早期,，在足夠多的恒星形成之前，宇宙充滿了中性氣體,，而且這些氣體未被恒星的紫外線輻射完全電離,。結(jié)果，我們看到的很多光都被這些中性原子遮蔽了,，只有當足夠多的恒星形成后，宇宙才會完全電離,。
這就是紅外望遠鏡,，比如美國國家航空航天局（NASA）推出的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，對于研究早期宇宙至關(guān)重要的部分原因,。借助這種望遠鏡,，我們就可以看到處于熟悉波長的“邊緣”。
在310億光年的距離,，相當于大爆炸后的5.5億年,，我們到達了所謂的再電離邊緣：在這里，宇宙的大部分對可見光幾乎是透明的,。再電離是一個漸進的過程,，并不均勻；在很多方面,，這就像一堵參差不齊,、充滿孔洞的墻。一些地方的再電離發(fā)生較早,，哈勃太空望遠鏡正是由此發(fā)現(xiàn)了迄今為止最遙遠的星系——位于320億光年之外,，僅僅在大爆炸之后的4.07億年。但其他地區(qū)仍然部分保持中性,，直到近10億年過去后才完全電離,。
宇宙會坍縮成奇點嗎,？
答案如果是肯定的話，宇宙或許會一直處于一個永無止境的大反彈循環(huán)中,；在這個循環(huán)中,，所有物質(zhì)都通過大爆炸，從一個奇點冒出來,，接著是大擠壓,，將所有的物質(zhì)再次吞沒，恢復(fù)到宇宙剛誕生時那個無比致密的狀態(tài),。宇宙不斷地重復(fù)大爆炸和大擠壓的過程,。
然而，這些理論從未在數(shù)學(xué)上真正解決宇宙是否處于循環(huán)的問題,。換言之,，宇宙也可能只有一個開端和一個結(jié)局。不過最近,，一組理論物理學(xué)家利用所謂的弦理論,，試圖解決這些早期宇宙的基本謎題。他們的研究結(jié)果可能會推動我們從零開始構(gòu)建宇宙,，從而為宇宙重復(fù)存在的理論提供支持,。
如果你想建立自己的宇宙理論模型，請自由發(fā)揮你的想象力,。沒有人能阻止你創(chuàng)造自己的宇宙觀,。但是，如果你想進一步了解宇宙的形成,，就必須遵守一定的規(guī)則,。這意味著，無論你的宇宙模型包含什么,，你都必須面對一些冰冷的,、難以觀察的證據(jù)。
例如,，我們知道自己就生活在一個不斷膨脹的宇宙中,，其中的星系和恒星正以越來越快的速度飛離地球。通過各種先進的技術(shù),，科學(xué)家們可以計算與我們不同距離的星系移動的速度,。我們也已經(jīng)有了宇宙誕生初期——大爆炸后約38萬年時——的圖像。現(xiàn)在宇宙的年齡約為138億年,，當時的宇宙還處于“嬰兒”時期,。
在這張宇宙誕生初期的圖片中，我們看到了一些有趣的模式,。圖像中微小的斑點和斑塊,，揭示了在年輕的宇宙中存在著輕微的溫度和壓力差異,。
我們可以用大爆炸宇宙學(xué)，以及所謂的暴脹理論來解釋所有這些觀測結(jié)果,?？茖W(xué)家認為，暴脹過程發(fā)生在宇宙誕生不到一秒鐘的時候,。在這一過程中（過程本身只持續(xù)了極短時間）,，宇宙突然間變得非常巨大，并使微小的量子漲落也放大到宇宙尺度,。這些量子漲落會逐漸增大,，因為密度稍高的斑塊引力略強，使其變得更大,。隨著時間的推移,，這些量子漲落變得足夠大，以至于在宇宙的幼年圖像中以斑點的形式留下了印記（數(shù)十億年后,，又出現(xiàn)了恒星和星系之類的東西,，但那是另一回事了）。
S-膜拯救了一切
在過去幾年中,，火宇宙理論的支持者試圖匹配暴脹理論所解釋的觀測結(jié)果,。在最近的一次嘗試中，為了克服前述的障礙,，使火宇宙理論至少在某種程度上得到尊重,，一個研究團隊使用的正是S膜（S-brane）。
你應(yīng)該聽說過弦理論,，它是理論物理學(xué)的一支，結(jié)合了量子力學(xué)和廣義相對論,。在弦理論的宇宙中,，每個粒子都是微小的、振動的弦,。幾年前,，理論物理學(xué)家們意識到，弦不一定是一維的,。他們將多維的弦就稱為“膜”（brane）,。
至于“S-膜”，弦理論中的大多數(shù)膜都可以在時空中自由地漫游,，但是假想的S-膜只能在非常特殊的條件下瞬間存在,。
在這個新的火宇宙理論場景中，當宇宙在其最小,、最密的狀態(tài)下,，S-膜出現(xiàn),，使一個充滿物質(zhì)和輻射的宇宙再次擴張（一場大爆炸），與此同時,，溫度和壓力發(fā)生了微小變化（導(dǎo)致宇宙初期圖像中出現(xiàn)眾所周知的斑點）,。這便是加拿大麥吉爾大學(xué)物理學(xué)系三位物理學(xué)家所提出的新觀點。他們的研究結(jié)果于7月發(fā)表在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上,，還有待同行評審,。
這個觀點正確嗎？目前還無法知曉,。近年來,，弦理論的基礎(chǔ)似乎顯得十分薄弱，因為在大型強子對撞機上進行的實驗中一直未能找到任何關(guān)于超對稱理論的線索,，而超對稱理論是弦理論的關(guān)鍵基礎(chǔ),。另一方面，S-膜的概念本身在弦理論界還存在爭議,，因為研究者并不確切地知道膜是否會被允許在一個時刻存在,。
還有一個事實是，正如我們所知,，宇宙不僅在膨脹,，而且是在加速膨脹，沒有任何跡象表明它在短期內(nèi)會減速（更別說坍縮了）,。要弄清楚有什么因素會導(dǎo)致宇宙膨脹“剎車并掉頭”,，目前看來還十分棘手。
盡管如此,，火宇宙理論（和其他理論）的觀點還是值得探索的,，因為宇宙的最初時刻為現(xiàn)代物理學(xué)提出了一些最令人困惑和最具挑戰(zhàn)性的問題。
觀測極限以外的邊緣
盡管如此,，天文學(xué)家認為,，在我們現(xiàn)有儀器所能觀測到的極限之外，肯定還存在著其他恒星和星系,。在目前所發(fā)現(xiàn)的最遙遠的星系中,，都可以找到證據(jù)，表明前幾代恒星曾在其中活躍過,，而且它們已經(jīng)相當明亮和巨大,。在目前望遠鏡所能觀測到的極限之外，還可以測量恒星形成的間接標志,，包括氫原子本身發(fā)出的光,。這一過程只發(fā)生在恒星形成期間，氫原子發(fā)生電離,，自由電子與電離的原子核重組,，然后釋放出光,。
目前，我們只能通過這種早期恒星形成的間接特征,，推測年輕的星系早在大爆炸后的1.8至2.6億年時就已存在,。這些原始星系形成了足夠多的恒星，使我們能在數(shù)據(jù)中看到它們存在的最初跡象,，對應(yīng)的距離是340億到360億光年之間,。盡管目前的望遠鏡還不能直接觀測到這些星系，但許多天文學(xué)家認為,，詹姆斯·韋伯望遠鏡將會擔此重任,。
當然，仍然可能有光源——以及宇宙中最初的電離區(qū)域——可以追溯到更早的時期,。如果我們能看到這么遠的距離,，那么最早的恒星應(yīng)該在380億到400億光年之間，相當于大爆炸后5000萬到1億年的時間,。
在此之前,，宇宙完全是黑暗的，充滿了中性原子,，以及大爆炸的輻射余暉,。
再往前追溯，還有一些其他的“邊界”值得關(guān)注,。在440億光年之外,，來自大爆炸的輻射非常炙熱，以至于肉眼就能看見,；如果那里有一雙人類眼睛的話,，就能看到輻射開始發(fā)出紅光，類似于赤熱的表面,。這對應(yīng)著大爆炸300萬年后的一段時間,。
如果到達454億光年以外，我們就會來到大爆炸38萬年后的一個時間點,。此時的溫度極高，以至于無法穩(wěn)定地維持中性原子,。這就是大爆炸余輝——宇宙微波背景（cosmic microwave background,，簡稱CMB）——的來源。普朗克衛(wèi)星拍攝的那張著名的熱點（紅色）和冷點（藍色）圖片,，向我們揭示了這些輻射的來源,。
在那之前，在460億光年之外,，我們進入了一切的最初階段：大爆炸的超高能量狀態(tài),。此時誕生了宇宙的第一批原子核,、質(zhì)子和中子，甚至產(chǎn)生了第一批穩(wěn)定的物質(zhì)形式,。在這一階段,，一切物質(zhì)只能被描述為宇宙的“原始湯”，即存在的每一個粒子和反粒子都可以由純能量創(chuàng)造出來,。
然而,，在這種高能量的原始湯之外還有什么，仍然是一個謎,。盡管許多關(guān)于宇宙膨脹的預(yù)言都被間接地證實了,，但天文學(xué)家并沒有直接的證據(jù)表明在最早期的這些階段到底發(fā)生了什么。對人類而言,，宇宙的邊緣是獨一無二的,；我們可以看到138億年前在各個方向上的宇宙，這種情況取決于觀察者的時空位置,。
宇宙具有許多邊緣,，包括透明的邊緣、恒星和星系的邊緣,、中性原子的邊緣,，以及大爆炸時形成的宇宙視界的邊緣。我們可以用望遠鏡觀察到盡可能遠的地方,，但總會有一個基本的極限,。即使空間本身是無限的，但大爆炸之后的時間并不是無限的,。不管未來能看到多遠的宇宙,，總會有一個我們永遠看不到過去的“邊緣”。
