第14章　边缘处的问题

第164夜：安静的时辰

在任务第164天，努尔上了一个不寻常的班。空间站上的一项实验需要在乘组的夜间做一次小小的调整，而地面团队希望那时有人醒着看着它。托马斯和阿德照常睡觉。努尔会早点上床，闹钟响时起来，完成工作，再看着实验几个小时，然后再去睡觉。地面也会在下方遥远处的屏幕前看着。她并不是真的独自一人，但空间站会感觉非常安静。

闹钟在约定的时间响了。她拉开睡袋的拉链，轻轻地推离自己的小睡眠舱，飘过昏暗的舱段。夜里，空间站上的灯会调暗。风扇像往常一样嗡嗡作响，因为在失重中，空气不会自己流动，如果没有风扇，一个熟睡的人呼出的气就可能聚集在他的脸周围。控制面板上亮着小小的绿灯和蓝灯。某个地方，一台泵咔嗒一声开了，又咔嗒一声关了。

调整只花了二十分钟。努尔按照平板电脑上的程序一步一步地操作，地面通过她的耳机用轻柔的声音确认每一步。然后就没什么事可做了，只能看着屏幕上的数字，等待。她飘到大窗户前。空间站正位于地球的夜半边。下方，行星是一个黑暗的轮廓，有人居住的地方有细细的光线，这里那里还闪烁着远处雷暴的光。上方，星星多得她数也数不过来。

沿着这颗黑暗行星的边缘，有一道细细的、淡淡的光芒，带着一点绿色，像一条丝带一样铺在地球上方。它叫作气辉。在大气的高处，白天被阳光激发的原子和分子，会以一种非常微弱的光的形式慢慢释放出那些能量。从地面上，几乎不可能注意到它。从空间站上，在黑暗的夜里，它勾勒出地球的整条弧线。努尔到这时已经看过它很多次了，但它仍然让她停下来凝视。然后空间站继续飞驰，不久之后，一道明亮的晨曦出现在行星的边缘，夜晚结束了，直到下一圈轨道。

在寂静中，努尔想起了萨米，他此刻很可能正开在一条黑暗的路上。夜里工作的人都知道这种感觉。世界在沉睡，工作很平静，思绪开始游荡到一些宏大的问题里去。那天早些时候，萨米发来了一条消息，里面恰恰就是这样一个问题。“如果宇宙是138亿年前开始的，”他写道，“那它的边缘在哪里？在它开始之前，又有什么？”

这些是人们问过的最古老的问题中的几个，也是最难的几个。今晚的故事就是关于它们的。这是一个敞开的门比关上的门更多的故事。我们会看看天文学家能说些什么，并且对那些没有人知道的地方保持诚实。

我们能看多远？

让我们从我们能看到的东西开始。光的速度大约是每秒300,000公里，而宇宙大约有138亿岁。所以人们很自然地认为，我们在每个方向上只能看到138亿光年那么远，因为更远处的光还来不及到达我们这里。这个想法接近事实，但它漏掉了一个重要的细节：在光旅行的同时，空间一直在伸展。

想象一位工作人员在机场的自动步道上行走，只是这条步道在她行走的同时不断变长。她以稳定的速度走着，但等她走到尽头时，她出发的地方离她身后的距离，比她实际走过的距离要远得多。来自最遥远地方的光，表现得就有点像这样。它朝我们旅行了将近138亿年，但在这段时间里，我们和它出发点之间的空间已经大大地伸展了。

所以，那些光已经到达我们这里的最遥远的地方，现在离我们远远超过138亿光年。根据目前的测量，我们所能看到的区域的边缘，现在在每个方向上都离我们大约460亿光年。天文学家把这个区域称为可观测宇宙：自开端以来，光已经来得及到达我们这里的那部分宇宙。我们在之前一个夜晚认识的最古老的光，就来自非常接近这个边缘的地方。

望向这个边缘，也就是在回望过去。我们看得越远，光离开它的光源就越早。望远镜发现的最遥远的星系，我们看到的是宇宙只有几亿岁时它们的样子。在它们之外，是最古老的光，在开端之后大约380,000年被释放出来。再往外，普通的光就无法带我们去了，因为在那之前，宇宙是一片光无法穿越的发光的雾。所以，可观测宇宙不仅仅是一片空间。它也是一部漫长的历史记录，最年轻的书页离我们最近，最古老的书页离我们最远。

重要的是要理解这个边缘是什么。它不是一堵墙，也不是宇宙的尽头。它是一条地平线，就像你在海上看到的地平线。当你站在海滩上时，你只能看到一条线以内的海水，但海并不在那里结束。那条线只是你视野的极限。同样，可观测宇宙的边缘，是我们从自己所在的地方能看到的极限。一个身处遥远星系的存在，会有它自己的可观测宇宙，以它自己为中心。

地平线之外

在我们的地平线之外有什么？几乎可以肯定，还有更多的宇宙。据我们所知，在最大的尺度上，宇宙在每个方向、每个地方看起来都差不多：星系，星系团，以及宇宙网那巨大的丝线和空旷区域。没有任何迹象表明，宇宙在我们所能看到的范围之外就发生变化或走到了尽头。所以大多数天文学家预期，在我们的地平线之外，还有更多的星系，和我们所知道的那些很相像。

天文学家怎么知道宇宙在每个方向上看起来都一样呢？他们在整个天空中清点并绘制星系的分布，发现在最大的尺度上，星系在各处的分布方式都相似。最古老的光在每个方向上的温度几乎完全相同，只有极其微小的差别。如果我们所在的这部分宇宙很特殊，比如靠近某个中心或某个边缘，我们就会预期在天空的这一边和那一边之间看到差别。这样大的差别从来没有被发现过。

但到底还有多少呢？在这里，我们来到了一个真正的未知之处。宇宙也许极其巨大，但仍然是有限的。也许它无边无际地延伸下去。这两种可能性都与我们今天所能测量的结果相符。测量表明，在我们所能看到的最大尺度上，空间非常接近“平坦”，这是一种说法，意思是它似乎不会像一个球的表面那样弯曲回到自身。即使它是弯曲的，那弯曲也平缓到我们在自己的地平线以内还无法察觉。所以，我们不知道整个宇宙是有限的还是无限的，而且我们也许永远都无法确定地知道。

在凌晨三点抱着这样一个念头，也许会感觉很奇怪。但其中也有一种平静。在人类历史的大部分时间里，人们并不知道下一道山脉之外、或者海洋的另一边有什么。他们继续工作、建造、好奇。我们的处境与此相似，只是尺度要大得多。我们的地平线比人们曾经知道的任何地平线都要宽广，而它之外仍然还有更多。

同样值得记住的是，可观测宇宙一点也不小。它包含数千亿个星系，也许更多，而每个星系都可能包含数千亿颗恒星。我们地平线以内的东西，比任何人能够详细研究的都要多。它之外的未知，丝毫不会让已知的东西变得不那么美妙。

一个叫作暴胀的想法

现在让我们回到开端，回到最初的那些时刻。在之前的夜晚，我们跟随这个故事，从最初的几分之一秒，经过最初的几分钟，一直走到最古老的光。但关于最开始，有一些谜题是炽热开端的基本图景本身无法解释的。

一个谜题是，最古老的光在每个方向上的温度几乎完全相同。然而，按照基本图景，来自天空两个相反方向的光所来自的区域，从来没有时间彼此交换热量。它们怎么会变得如此相像呢？这有点像走进一座大建筑物两端的两个房间，发现两张桌子上的两杯茶温度完全相同，尽管谁也不可能把热量从一个房间带到另一个房间。另一个谜题是，为什么空间会如此接近平坦。

1980年前后，科学家们提出了一个回答这些谜题的想法。它叫作暴胀。按照这个想法，在一个极其短暂的最初时刻，远远短于一秒钟，空间以极快的速度增长，比它此后的增长要快得多。一个非常小的、温度已经变得均匀的区域，被拉伸到了巨大的尺寸。这就能解释为什么天空中相距遥远的部分看起来如此相像，它还会抹平任何弯曲，让空间看起来是平坦的，就像一个巨大气球上的一小块看起来是平的一样。

暴胀还提示了最古老的光中那些微小涟漪是从哪里来的。在暴胀的想法里，一些极其微小的随机起伏，比原子还要小，在快速增长期间被拉伸到了巨大的尺寸。这些被拉伸的起伏，变成了那些稍微稠密一点和稍微稀薄一点的区域，后来又成长为星系。卫星在最古老的光中测得的涟漪图案，与暴胀的预言相当吻合。

那么，暴胀是真的吗？诚实的回答是，我们还不知道。有些观测结果与它相符，许多科学家认为它是我们所拥有的最好的想法。但它还没有被证明。这个想法有不同的版本，有些科学家还提出了其他的解释。天文学家们正在最古老的光中寻找暴胀可能留下的某些微弱图案。如果他们找到了，这个想法就会变得有力得多。如果没有找到，这个问题就会继续悬而未决。目前，暴胀是一个有一定支持的想法，而不是一个已经确立的事实。

在开端之前？

那么萨米问题的第二部分呢：在开端之前有什么？在这里，诚实的科学必须非常清楚地说：我们不知道。正如我们在之前一个夜晚所看到的，当我们试图描述最初那一刻时，我们现有的物理定律就失效了。我们没有任何经过检验的理论，能告诉我们在那个点上发生了什么，或者在那之前是否还有什么。

许多科学家希望，有一天会有一个新的理论在这方面有所帮助。今天，物理学有两个非常成功的理论，它们在不同的领域里起作用。一个是爱因斯坦的引力理论，它描述恒星、星系和空间的膨胀。另一个描述非常小的世界，原子以及原子内部的粒子的世界。在最初那一刻，整个宇宙既极其沉重，又极其微小，所以需要同时用到这两个理论。但还没有人找到一种完整而经过检验的方法把它们结合起来。在有人做到之前，最初那一刻仍然在我们的知识所能达到的范围之外。

甚至有可能，这个问题本身就没有意义。想一想这个问题：“地球上最北的那一点以北是什么？”在地球表面上，北是一个方向，但如果你站在这颗行星的最顶端，每个方向都是南，再也没有更北的地方可去了。有些科学家认为，时间本身可能是和宇宙一起开始的。如果是这样，问开端“之前”发生了什么，就像问最北的那一点以北是什么一样。这并不是一个新的念头。一千多年前，就已经有一些思想家提出，时间也许是和世界一起开始的，而不是在世界之前就独自存在的东西。

另一些科学家探索了这样的想法：我们的宇宙来自某种更早的东西，也许是一个更早的阶段，或者一个更大的整体。暴胀和其他理论的某些版本提出，可能存在许多个宇宙，每个都有它自己的开端。这些想法很有意思，有些在数学上推敲得很仔细。但到目前为止，还没有任何观测表明其中哪一个是真的。它们是有待探索的可能性，而不是发现。

许多人起初会对此感到不自在。我们喜欢那些以“很久很久以前”开头、并且知道之前发生过什么的故事。但说出“我们还不知道”，有一种值得尊重的诚实。这本书的每一章，都是从一些曾经未知的事情开始的：星系的距离，空间的增长，最古老的光。这些问题中的每一个，都是靠耐心的工作得到解答的。也许今天的一些问题也会得到解答，由如今还是孩子的人，或者由还没有出生的人来解答。

夜里写下的消息

屏幕上的数字一直很平稳。实验进行得很顺利。在她值班快要结束时，地面告诉努尔，她可以回去睡觉了。她向他们道了谢，最后一次飘到窗前，看着黑暗的地球上方的星星。

然后她给萨米写消息。“今晚我和你在同一个时间醒着，”她开头写道，“你的问题没有完整的答案。我们在每个方向上能看到大约460亿光年远，因为在光旅行的时候空间伸展了。在那之外，很可能还有更多的宇宙，但没有人知道还有多少。也没有人知道开端之前有什么，或者是否存在一个‘之前’。路上注意安全。今晚我们俩都在黑暗中工作。”

几分钟后，萨米把车停在一条空荡荡的路边，读了这条消息。他透过挡风玻璃抬头望去。“那我们俩是在看着同一个未知，”他回复说，“晚安，姐姐。或者早上好。在你们那上面，我从来都搞不清楚。”

值班结束后，努尔重新钻进睡袋，拉好拉链。空间站仍然很安静。托马斯在他的睡眠舱里睡着，阿德也在他的睡眠舱里睡着。几个小时后，灯光会变亮，其他人的闹钟会响起，工作日又会重新开始。此刻，她闭上眼睛，那些问题仍然敞开着，而她发现自己并不介意。

如果你是在深夜读到这里，在一个漫长的班次或漫长的一天之后，你也许也正在大多数人都睡着的时候醒着。夜晚会让大问题显得沉重。但它们也可以像是一种陪伴。在同一片天空下，几千年来，人们一直在问边缘在哪里、之前有什么。今晚，你也是他们中的一员。

常见的误解

许多人以为宇宙有一个边缘，就像一个房间尽头的一堵墙，而墙外是空旷的空间，或者什么都没有。但从来没有任何观测显示过这样的边缘。可观测宇宙的边缘是一条地平线，是我们视野的极限，而不是宇宙的尽头。没有任何已知的地方是星系到此为止、一堵墙从此开始的。据我们所知，宇宙并没有那种边缘。

许多人还以为，既然宇宙大约有138亿岁，我们就只能看到138亿光年远。这看起来合乎逻辑，而且如果空间没有一直在伸展，它就是对的。但因为在光旅行的同时空间一直在伸展，所以最遥远的光出发的那些地方，现在要远得多。这就是为什么可观测宇宙的边缘现在在每个方向上都离我们大约460亿光年，尽管没有任何光旅行了超过大约138亿年。

最后，有些人以为科学已经证明了存在许多个宇宙。你也许在电影或文章里看到过这个想法，有时还被当作一个已知的事实来介绍。实际上，关于许多个宇宙的想法，是从某些理论中得出的可能性。它们没有被观测到过，而且目前也没有任何证据表明其他宇宙存在。它们仍然只是推测，很有意思，但未经证实。下一个夜晚是努尔驻留期间的最后一个夜晚，我们将回顾整个故事，从开端一直到你自己家上方的傍晚天空。