看,宇宙~

已知的總是有限的，未知的則是無限的；從知識上說，我們像是處在一個令人費解的無邊海洋中的小島。我們每一代人的任務就是多回收一點土地。

——赫胥黎

1

宇宙究竟有多大？

我們可能永遠也無法知道確切的答案。

但我們可以知道的是，

可觀測宇宙有多大：

920億光年

這是一個非常龐大的數字，

下圖或許可以幫助你更直觀的感受可觀測宇宙的大小：

Wikimedia Commons

在可觀測的宇宙中，

又包含了多少個星系？

是幾千萬個？或是幾億個？又或是幾千億個？

在透露這個數字之前，

讓我們先把目光投向太空。

在一個晴朗的夜晚，

抬頭仰望星空，

除了看到明亮的月光之外，

還會看到閃爍的繁星。

但大多數地方都是漆黑的，

肉眼能看到的終究是非常有限的。

現在，

試著隨機選擇天空中的一小片區域，

比如在月亮的附近：

對於肉眼而言，

這片區域顯然是完全漆黑、空無一物的。

但事實真的是如此嗎？

如果把哈勃太空望遠鏡對準這裡呢？

它又會看到什麼？

當天文學家第一次這麼做的時候，

結果震驚了所有人！

在連續收集了12天的光之後，

哈勃太空望遠鏡揭示了一幅

極其壯麗的景象：

是的，

那片看似漆黑一片、空無一物的背後，

隱藏著數千個的星系。

每一個星系又都包含了

數十億個像太陽一樣的恆星。

而許多恆星都有繞其旋轉的行星，

就像地球繞著太陽一般。

藝術想像圖。距離地球40光年外的一顆名為TRAPPIST-1e的行星，有著令人窒息的景象：紅色天空中的明亮天體，若隱若現。這些天體不是像月亮一樣的衛星，而是圍繞著一顆暗淡紅星旋轉的巖石行星。| 圖片來源：NASA

但是，記住，

月亮附近的這片區域是隨機選擇的，

天空中任何其他的區域看起來幾乎都是一樣的。

由此我們可以推測，

可觀測宇宙中包含了

至少兩萬億個星系！

下面這張圖展示了整個可觀測宇宙的圖像：

點擊播放 GIF 1.3M

其中白色的點是星系，

周圍的球體是宇宙微波背景的最後散射面。

那麼這一切是從何而來的呢？

2

1917年，

愛因斯坦將他的新引力理論——廣義相對論應用在宇宙學研究上，

他的計算結果預示著，

宇宙並不是靜態的。

當時，愛因斯坦還無法接受

一個隨著時間而演化的宇宙。

但到了上個世紀20年代，

當哈勃發現遙遠的星系正在遠離我們的時候，

愛因斯坦意識到自己犯了「一生中最大的錯誤」。

是的，

宇宙正在膨脹！

由於空間膨脹，星系會逐漸遠離我們。

這一驚人的發現標誌著現代宇宙學的開端，

它意味著宇宙的年齡是有限的，

從而也直接促進了後來大爆炸理論的發展。

大爆炸的思想很簡單：

由於宇宙正在膨脹，

因此它有一個更熾熱和緻密的過去。

那些曾經更加緊密的一切，

都隨著時間的推移，

變得越來越遙遠。

記住，

大爆炸理論並沒有告訴我們任何關於宇宙是如何開始的信息。

也不要將大爆炸想像成一次爆炸，

大爆炸是在所有地方同時開始的。

空間中的每一點都等價於另一點。

儘管一切看起來都在離我們遠去，

但宇宙是沒有中心的。

因為對於遙遠星系中的其他觀測者（如果有）來說也是如此。

自愛因斯坦提出廣義相對論後，

他的理論就一直被用於研究宇宙的起源和演化。

在最最早的時刻，

廣義相對論的方程在某一點會出現奇異性，

我們將這個事件標記為時間t=0。

在t=0之前，

空間和時間失去了它們熟悉的意義。

我們有時稱t=0為大爆炸（奇點）。

如果把宇宙的整個歷史壓縮成一年，

那麼人類出現在最後一天的最後一個小時。

而在最後一秒，

人類才開始使用科學的方法，

去探索宇宙的奧秘和規則。

在這趟探索的旅途中，

科學家迅速地發展出了

粒子物理學、核物理、原子物理、引力理論，

這使他們可以重建從宇宙誕生後的10⁻¹⁰秒到今天的整個歷史。

這是非常值得驚嘆的成就！

在《42+42》一文中，

我們看到了宇宙歷史的一些重要事件，

比如物質-反物質不對稱、第一批恆星的誕生，太陽系的形成......

但我們接下來先來著重關注兩個重要事件：

大爆炸核合成（BBN）

早期的宇宙是非常非常炙熱的，

所以不可能存在穩定的原子。

物質是以自由的電子和原子核（質子和中子）的形式存在的。

偶爾兩個質子會合併成氦核。

上個世紀發展出來的大爆炸核合成（BBN）理論，

以驚人的精確度預測了輕元素的比例：

~75% 的氫，~25% 的氦，10⁻⁵% 的氘，10⁻¹⁰% 的鋰

我們在古老的氣體雲中精確地看到了這些比例，

這是大爆炸理論的一大成就。

大爆炸後，隨著宇宙逐漸的冷卻，形成了第一批的化學元素：氫、氦和微量的鋰。今天，氫和氦依舊佔據了98%的宇宙，它們是恆星的主要成分。更重的元素主要從宇宙射線裂變、中子星合併、大質量恆星爆炸、垂死的低質量恆星、白矮星爆炸中產生。

複合

我們能看到的最早的光，

是在大爆炸後38萬年後形成的。

在此之前，

宇宙仍然充滿了自由電子和原子核組成的等離子體，

所以光無法傳播到很遠。

複合時期，

標誌著宇宙冷卻到足以形成第一個穩定原子的時間。

在那一刻，光開始自由地傳播。

在138億年後的今天，

我們接收到了來自那個時期的光，

即所謂的

宇宙微波背景（CMB）

當人們在上個世紀60年代第一次觀測到CMB時，

他們發現它是完全均勻的。

在各個方向上溫度都是相同的，

約為2.725開爾文（K）。

隨著觀測技術的進步，

科學家陸續發射了不同的衛星，

比如COBE、WMAP和PLANCK，

來收集這些最古老的光。

當測量越來越精確時，

他們發現了萬分之一的微小變化。

CMB上不同顏色的斑點，

代表著溫度的差異。

有些地方較熱，

有些地方較冷。

CMB的溫度變化反映了物質原始密度的微小變化。

隨著時間的推移，

在引力的作用下，

這些物質的漲落會增加，

密度越高的區域會變得越密集，

也就形成了星系、恆星和行星。

BBN和CMB的成功，

使大爆炸理論在所有其他理論中脫穎而出。

3

但是，

這個簡單的結構形成圖景卻有一個問題。

讓我們來思考一個現在觀測者的過去光錐：

這張圖顯示了在宇宙大爆炸初始奇點時刻與宇宙微波背景輻射（CMB）的最後散射時刻（即複合時期），光錐是如何與恆定時間的空間表面相交的。

在最後散射面上的A、B兩點被分開180度，

也就是天空中相反的兩個點。

這兩個點又有各自的過去光錐。

大爆炸奇點和最後散射之間的時間，

要遠遠比最後散射和今天之間的時間小的多。

從圖中可以清晰地看到，

A和B兩點的過去光錐並沒有交集。

但是時空區域只有在光錐重疊時才會交換信息，

這意味著A和B從來沒有因果接觸：

這同樣適用於在CMB上分開兩度以上的兩個點。

由此看來，

CMB是由許多因果不相連的區域組成的。

但我們所觀測到的CMB的溫度，

卻幾乎是完全一致的！

天空中兩個相隔非常遙遠、從未接觸的點，

為什麼會有相同的溫度？？？

是誰告訴了這些獨立的區域可以擁有相同的溫度？

這個令人困惑的問題叫做

視界問題

如果我們能夠設法使

奇點和最後散射之間的有效時間，

大於最後散射和現在的有效時間，

那麼視界問題就會得到解決。

換句話說，

如果在傳統大爆炸之前，

還有更多額外的時間：

有效時間稱為「共形時間」。奇點和複合之間的物理時間總是38萬年。但與視界問題相關的是共形時間。

這樣一來，

CMB中的任何一點的過去光錐都會重疊，

而整個CMB就會起源於一個因果相連的空間區域。

那麼，CMB的均勻性就有了一個因果解釋。

能夠做到這一點的物理過程，

被稱為

宇宙暴脹

在暴脹期間，

宇宙會呈指數式的膨脹。

如果暴脹持續的足夠久，

CMB中相反的區域，

就會在宇宙初期時靠的足夠近，

所以它們之間就是有「交流」的。

由於暴脹的原因，

可觀測宇宙起源於一個比傳統大爆炸的簡單推斷要小得多的空間區域：

以物理時間來衡量，

暴脹只持續了10-34秒。

暴脹理論不僅解決了視界問題，

它還解釋了傳統大爆炸理論無法回答的其他問題。

例如，為什麼宇宙是如此平坦？

為什麼在今天的宇宙中沒有發現磁單極子？

或者是其他的高能粒子？

暴脹期間的量子漲落會產生微小的不均勻性。因此，在宇宙存在的最初時刻，就已經種下了形成星系、星系團和CMB溫度各向異性的原始種子。對暴脹假設的一個關鍵檢驗就來自對CMB漲落的統計的研究。

不僅如此，

暴脹理論還作出了許多可檢驗的預言，

其中一個最受矚目的預言是

原初引力波

這是宇宙誕生時產生的時空波動，

它會在CMB中留下獨特的信號。

如果有一天能夠發現原初引力波的信號，

那無疑將是宇宙學史上最偉大的發現之一。

在暴脹提出的幾十年間，

一直是非常成功的科學理論。

直到2017年，

有一些科學家開始對暴脹理論發起了猛烈的挑戰，

引發了一場巨大的辯論。

如今，這場「戰爭」仍在繼續。

暴脹對於宇宙是個好東西。如果這就是它的全部故事，那麼微波輻射在四面八方都會是一樣的。那麼這微小的差異來自何處？1982年，我寫了一篇論文，提出這些差異源自於暴脹時期的量子漲落。發生量子漲落是不確定性原理的結果。此外，這些波動是形成宇宙中的星系、恆星和我們的種子。

——霍金

4

在這100多年中，

我們的宇宙觀發生了天翻地覆的改變，

我們不斷地在拓寬我們的知識邊界。

當我們抬頭仰望星空時，

有的人看到了流星划過，

有的人看到了星星間的遙相呼應，

有的人則看到了未知。

宇宙中充滿了謎題，

而身在其中的我們，

怎麼可能會對它不好奇，不去探索呢？

在幾十光年外的外星世界中，

是否醞釀出了生命？

甚至演化出了智慧生命？

在數千光年外，

兩顆共舞的白矮星，

隱藏著哪些不為人所知的秘密？

在數億光年之外，

中子星合併產生的引力波，

是否能夠解決宇宙中的最大的矛盾：

宇宙膨脹的究竟有多快？

在100多億年前，

第一批恆星點亮了宇宙，

但是它們在哪裡？

它們形成的確切時間是什麼？

......

Wikimedia Commons

上圖是一幅可觀測宇宙的對數圖，

我們需要知道的是，

這些我們可以看到行星、恆星、星系等，

僅僅佔據了宇宙的5%，

而另外95%完全是個謎！

其中26.6%是暗物質，

68.4%是暗能量。

今天，

我們之所以能夠在這裡發問，

是因為在宇宙誕生的一秒後，

物質在一場湮滅大戰中戰勝了反物質，

才使我們的存在成為可能。

但我們並不知道為什麼會發生這樣的事情。

而不斷地追問、探索，

或許就是我們存在的意義。

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