当我们仰望星空,试图探寻宇宙的边界时,一个令人困惑的问题油然而生:宇宙之外究竟是什么?物理学家却告诉我们,这个问题在逻辑层面似乎并不成立。在我们的日常认知里,任何事物都有边界,边界之外必然存在空间,但宇宙或许打破了这种常识。因为“外面”这一概念,本身就需要空间和时间来定义,而这两者恰恰构成了宇宙的本质,所以宇宙或许不存在传统意义上的“外面”。
我们常提及的“可观测宇宙”,其半径约为465亿光年,直径约930亿光年。然而,这仅仅是宇宙的一小部分,它就像一个由光速设定的“视界”。由于宇宙年龄约138亿年,且空间持续膨胀,那些距离我们极其遥远的光,即便从宇宙诞生之初就开始传播,至今也未能抵达地球。光速在宇宙中成为了绝对的限制,而且宇宙膨胀还具有叠加效应。根据哈勃定律,距离我们足够远的星系,其远离我们的退行速度超过了光速,这意味着这些星系发出的光永远无法进入我们的“视界”。我们仿佛被困在一个半径930亿光年的巨大气泡里,随着时间的推移,越来越多的星系会跨越“哈勃体积”的边界,消失在无尽的黑暗之中。有推测认为,真实宇宙的尺度可能是可观测宇宙的251倍,甚至可能是无限的。
为了更好地理解没有边界的宇宙,科学家借助拓扑学提出了三种主流的宇宙几何模型。第一种是平坦无限宇宙,它如同一张无限延伸的平整纸张,没有尽头,也不存在曲率;第二种是闭合宇宙,这比较符合人类的想象力,宇宙就像一个四维超球面,就像蚂蚁生活在三维球体的表面,若朝着一个方向一直走,最终会回到起点;第三种是开放宇宙,具有负曲率,形状类似无限延伸的马鞍。想象一只生活在气球表面的二维蚂蚁,对于它而言,宇宙只有长和宽,没有“高度”。当气球膨胀时,它能感觉到所有同类都在远离自己,却无法理解气球膨胀的方向,因为它无法感知指向气球内部或外部的第三个维度。我们人类同样受到维度限制,被困在三维空间加一维时间的“时空”里。当数学表明宇宙可能是一个弯曲的四维结构时,我们的大脑却难以构建出这样的画面,就如同蚂蚁无法想象“高度”一样。
既然空间可能没有“外面”,那么时间是否有“之前”呢?2023年诺贝尔物理学奖得主罗杰·彭罗斯与他的导师斯蒂芬·霍金共同证明了“奇点定理”。在大爆炸的瞬间,时空曲率变得无限大,密度也无限高,时间正是从那一刻起才具有了物理意义。所以,问“大爆炸之前是什么”,就如同在南极点问“往南走是什么”。当你站在最南端,所有方向都指向北方,“南方”这个概念因几何特征而消失,时间同样是大爆炸的产物,而非大爆炸发生的背景。
那么,为何宇宙如此巨大且平坦呢?答案隐藏在“暴涨理论”中。在宇宙诞生的最初阶段,空间经历了一次极速扩张,其速度远远超过光速,这使得原本微小的量子涨落瞬间被拉伸到宏观尺度。暴涨理论解释了“视界问题”:为何相距遥远、互不相干的星系,其温度和物质分布却如此均匀?原来在暴涨之前,它们曾紧密地挤在一个极小的区域内,充分交换能量。随后,这滴“墨水”被瞬间膨胀的气球拉扯到宇宙的两端,虽然被稀释,但性质依然均一。
宇宙不仅在膨胀,还在加速膨胀,推动这一切的幕后黑手是“暗能量”,它占据了宇宙总能量的68.3%,表现为一种真空的斥力。这可能导致两种悲剧性的结局:一是“大撕裂”,膨胀力最终超过引力和强相互作用力,不仅是星系,连恒星、行星、原子乃至时空结构本身都会被拉扯成碎片;二是“热寂”,这是更为主流的预测,随着宇宙不断变冷、变空,熵值达到最大,最后一颗红矮星熄灭,最后一个黑洞通过霍金辐射蒸发,宇宙最终会变成一片绝对死寂、绝对虚空且温度接近绝对零度的深渊。
如果我们的宇宙并非独一无二,那么“外面”或许会热闹许多。弦理论认为,宇宙除了我们感知的四维外,还有七个卷曲的微小维度。这些维度卷曲的方式有无数种可能,每一种都对应一种物理法则。于是“景观理论”应运而生:我们的宇宙只是漂浮在更高维度“超空间”里的一个泡泡,在其他泡泡里,光速可能快如闪电,或者引力微弱到无法形成恒星。这就引出了“人择原理”:为何我们的宇宙参数如此精确?因为只有在这些参数恰好适合生命的宇宙里,才会有生物站出来问“为什么我们这么幸运”,这并非是某种设计,而是概率的必然,那些不适合生命的宇宙里,连观测者都不存在。
还有一个令人脊背发凉的可能性:宇宙本身就是一段程序。尼克·博斯特罗姆的“模拟假说”指出,如果文明能发展到模拟宇宙的水平,那么虚构宇宙的数量将远超现实宇宙。有几个物理现象似乎支持这种怀疑:普朗克尺度表明宇宙存在最小长度和最小时间单位,这就像屏幕的“像素”或计算机的时钟周期;量子力学中的观测者效应显示,粒子在被观测前处于叠加态,被观测后才坍缩为确定态,如同未加载和渲染的状态;物理常数的精确性,也像极了程序员为了维持模拟系统稳定而输入的初始变量。
那么,宇宙之外究竟是什么呢?也许“外面”只是更高阶文明的服务器硬盘,或者是10维时空中的一次涟漪,亦或是某种我们目前的感官和逻辑完全无法触达的真实。但这并不令人沮丧,正如爱因斯坦所说:“宇宙最不可思议的地方,在于它是可以被理解的。”我们就像被困在孤岛上的幸存者,虽然被930亿光年的“海洋”包围,但我们能通过推演洋流、分析星光,去重构那个我们从未见过的大陆。能够意识到自己的渺小,恰恰是人类最伟大的时刻,宇宙赋予了我们思考的能力,而这份思考,或许正是这片虚无中唯一的微光。
