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一談到宇宙誕生于一場(chǎng)大爆炸，多數(shù)人頭腦中的景象是這樣的：在無(wú)邊無(wú)際的黑暗中，突然，一個(gè)光點(diǎn)像焰火一樣炸出來(lái)，無(wú)比絢麗。大多數(shù)關(guān)于宇宙的紀(jì)錄片都是這樣拍的，但實(shí)際上，這個(gè)場(chǎng)景是錯(cuò)誤的。這無(wú)法怪導(dǎo)演，換了我也只能這樣拍，因?yàn)檎_的圖像是無(wú)法用影像描述出來(lái)的。真正的情況是：在創(chuàng)世的那一刻，沒(méi)有黑暗，沒(méi)有空間，甚至沒(méi)有時(shí)間，沒(méi)有就是沒(méi)有。整個(gè)宇宙，也就是你腦子中想象出來(lái)的一切有形的東西，都包含在一個(gè)原子大小的尺度內(nèi)，當(dāng)一切都炸開之后，才產(chǎn)生了空間和時(shí)間。好吧，我承認(rèn)我以上說(shuō)的一切都令人相當(dāng)費(fèi)解，至少是難以想象，我再用下面一個(gè)類比的方法，幫助你理解宇宙誕生時(shí)的空間。

現(xiàn)在，讓我們做一個(gè)瘋狂的假想：如果我們回到?138?億年前，那時(shí)候的宇宙只有一個(gè)牢房那么大，20?平米左右，那么，當(dāng)你身處這個(gè)宇宙中時(shí)，你會(huì)看到什么？你會(huì)看到，如果朝前面看，自己的背影就在幾米開外的前方；朝后看，另一個(gè)自己就在幾米開外的后方，與你做著同樣的動(dòng)作，再朝上朝下看，都能看到一樣的自己。當(dāng)你朝前面跑時(shí)，前方的自己也開始跑，只用了幾步你又跑到了自己出發(fā)的位置，不管你朝任何一個(gè)方向跑，都會(huì)回到原點(diǎn)。這是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的三維空間，你根本不可能“出去”，因?yàn)楦緵](méi)有“外面”，整個(gè)宇宙就在你眼中，這就是“有限無(wú)界”的宇宙觀。聽上去有點(diǎn)兒恐怖，這樣的牢房就是真正無(wú)法越獄的牢房。現(xiàn)在，請(qǐng)把這樣一個(gè)有限無(wú)界的宇宙不斷地在你的腦海中縮小再縮小，一直縮小到只有一個(gè)原子大小。注意，沒(méi)有“外面”，也沒(méi)有黑暗，空間和時(shí)間都禁錮在這個(gè)“宇宙”中。然后上帝說(shuō)“要有光”，于是，這個(gè)宇宙開始急速膨脹，這就是“宇宙大爆炸”理論。

請(qǐng)注意，我剛才的那個(gè)牢房的比喻是針對(duì)宇宙剛剛誕生的時(shí)刻。那么，我們今天的宇宙在經(jīng)歷了?138?億年的膨脹后，是否依然是一個(gè)巨大的恐怖牢房呢？如果我們朝一個(gè)方向一直飛一直飛，會(huì)不會(huì)回到原地呢？雖然還沒(méi)有定論，但是越來(lái)越多的宇宙學(xué)家認(rèn)為，我們今天的宇宙是一個(gè)無(wú)限大的宇宙，我們永遠(yuǎn)也無(wú)法飛回到原地，這個(gè)觀點(diǎn)得到了理論和觀測(cè)的有力支持。這個(gè)話題在后面還會(huì)詳談，這里先放一放。

自從這個(gè)宇宙微波背景輻射被探測(cè)到后，一大批科學(xué)家都興奮地投入到這個(gè)領(lǐng)域中。相比考古學(xué)家來(lái)說(shuō)，宇宙學(xué)家是無(wú)比幸福的，為什么這么說(shuō)呢？因?yàn)榭脊艑W(xué)家在研究遠(yuǎn)古時(shí)代的地球時(shí)，面對(duì)的都是經(jīng)過(guò)了成千上億年時(shí)間洗禮的遺跡，他們只能通過(guò)殘留下來(lái)的點(diǎn)點(diǎn)蛛絲馬跡，艱難地還原當(dāng)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)。可是宇宙學(xué)家，自從發(fā)現(xiàn)了微波背景輻射后，就相當(dāng)于找到了宇宙誕生時(shí)刻的光子，這些光子跨越了?100?多億年的漫漫時(shí)空，來(lái)到地球。當(dāng)研究宇宙的微波背景光子時(shí)，也就是在端詳宇宙大約?138?億年前的模樣。于是，全世界投入了大量的人力物力，建造出一個(gè)又一個(gè)精密無(wú)比的天文儀器。在隨后的十幾年里，對(duì)宇宙微波背景輻射的研究是整個(gè)宇宙學(xué)乃至天文學(xué)最熱門的一個(gè)領(lǐng)域。但是隨著測(cè)量數(shù)據(jù)越來(lái)越，許多大爆炸的支持者卻變得越來(lái)越坐立不安，因?yàn)橐粋€(gè)幽靈從這些測(cè)量數(shù)據(jù)中慢慢地浮現(xiàn)出來(lái)，這個(gè)幽靈是什么呢？

從宇宙背景輻射的探測(cè)數(shù)據(jù)中，他們發(fā)現(xiàn)整個(gè)空間中的輻射是均勻的，無(wú)論把天線指向哪里，輻射的溫度都是?2.725K?左右。也就是說(shuō)，宇宙“大火球”的溫度極為驚人地均勻一致，用專業(yè)點(diǎn)的術(shù)語(yǔ)講，就是宇宙在?10-5?量級(jí)上都表現(xiàn)出的各向同性。

你可能會(huì)奇怪了，這聽上去應(yīng)該是很正常啊，如果不均勻我才會(huì)覺(jué)得奇怪呢，怎么宇宙大火球溫度均勻一致反而成了一個(gè)幽靈、一個(gè)謎題呢？

是這樣的，按照廣義相對(duì)論的計(jì)算，在宇宙誕生的那一刻，宇宙空間膨脹的速度是如此之快，以至于其中不同區(qū)域相互遠(yuǎn)離的速度超過(guò)了光速(別問(wèn)我是怎么計(jì)算出來(lái)的，那個(gè)太難懂了，一大堆的微分方程組，我哪里看得懂。總之你跟我一樣，知道結(jié)論就可以了)。等等，相對(duì)論不是說(shuō)光速是速度極限嗎？怎么你這里說(shuō)超過(guò)了光速？這里其實(shí)有一個(gè)廣泛的誤解：相對(duì)論所說(shuō)的光速極限是指的信息和能量的傳遞速度無(wú)法突破光速(可以參看拙作《時(shí)間的形狀—相對(duì)論史話》)，而空間的膨脹本質(zhì)上是一種視運(yùn)動(dòng)，其速度是可以超過(guò)光速的。換句話說(shuō)，星系與星系之間的相對(duì)退行速度是不受任何速度限制的，因?yàn)檫@種速度并沒(méi)有信息和能量的傳遞，所以合法。

這樣一來(lái)，問(wèn)題就出來(lái)了。我們想象一下，宇宙在誕生的時(shí)候，“砰”的一聲炸得四分五裂，但是由于空間的膨脹速度超過(guò)光速，也就是意味著每一個(gè)碎塊與碎塊之間的分離速度超過(guò)了光速，那么這些碎塊與碎塊之間不可能發(fā)生任何能量交互，也不可能發(fā)生熱量的傳導(dǎo)，但是最終的結(jié)果，卻是所有的碎塊溫度全部驚人地一致。這就好像夜空中炸開了一朵焰火，但是焰火每一顆火星的溫度都極為精準(zhǔn)地一致。這個(gè)情況與當(dāng)時(shí)理論計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生了嚴(yán)重的矛盾，宇宙學(xué)家們將這個(gè)謎題稱之為“視界問(wèn)題”。

這個(gè)謎題不但困擾著當(dāng)時(shí)無(wú)數(shù)的物理學(xué)家和宇宙學(xué)家，也困擾著在美國(guó)斯坦福直線加速器中心工作的理論物理學(xué)家阿蘭 古思(Alan Guth，1947?年-)。不過(guò)這個(gè)古思是個(gè)牛人，他在?1979?年首次提出了一個(gè)理論，后來(lái)又經(jīng)過(guò)另外幾個(gè)科學(xué)家的關(guān)鍵改進(jìn)，成功地解決了困擾學(xué)界多年的視界問(wèn)題，并且被物理學(xué)界廣泛接受，這就是大名鼎鼎的“暴脹理論”。暴脹理論也是嚴(yán)格地依據(jù)廣義相對(duì)論計(jì)算得出的。大家知道廣義相對(duì)論是非常難解的一組偏微分方程組，弗里德曼他們搞出的大爆炸宇宙模型也可以稱為弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克解，是廣義相對(duì)論方程的一個(gè)解。古思他們就在原來(lái)的這個(gè)解的基礎(chǔ)上，利用廣義相對(duì)論的某些特性，如排斥性引力、量子場(chǎng)等(我又是看書又是看維基百科，但自己看得也是一知半解)，經(jīng)過(guò)更加精密的計(jì)算，修正了原有的大爆炸理論，搞出了一個(gè)暴脹理論。這個(gè)理論其實(shí)非常復(fù)雜，也涉及到眾多概念和計(jì)算，但是我還是可以試著用一種概括的方式跟大家概述一下：

視界問(wèn)題之所以會(huì)折磨原有的標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型，是因?yàn)榭臻g的不同區(qū)域分離得太快，不足以建立起熱平衡。暴脹理論則減慢了在宇宙最最初期時(shí)刻的膨脹速度，使宇宙大火球有足夠的時(shí)間建立相同的溫度。在完成了這個(gè)熱平衡后，宇宙經(jīng)歷了一次短暫的爆發(fā)性的膨脹，而且越來(lái)越快，以對(duì)早期的緩慢膨脹做出補(bǔ)償，這就是暴脹這個(gè)詞的由來(lái)。這個(gè)理論的核心內(nèi)容是說(shuō)，宇宙空間在迅速遠(yuǎn)離之前就已經(jīng)建立了共同的溫度。

那么這個(gè)暴脹的速度是多快呢？古思他們的計(jì)算表明，在?10-35秒到?10-33?秒之間，也就是十億億億億分之一秒的時(shí)間內(nèi)，宇宙的尺度突然增大了?1026?倍，也就是一百億億億倍。這是個(gè)什么概念？我簡(jiǎn)單做了一個(gè)計(jì)算，相當(dāng)于一粒塵埃瞬間膨脹成?10?個(gè)銀河系這么大。這里插一句題外話，我在寫這段的時(shí)候，查閱暴脹理論的相關(guān)資料，我頭很大。因?yàn)椋凇度f(wàn)物簡(jiǎn)史》這本書中，說(shuō)的是宇宙在暴脹期間膨脹了?1040?倍，而百度百科的暴脹理論詞條中則更夸張，是?1078?倍。一開始，我也搞不清楚到底誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)，于是我自己動(dòng)手做了下計(jì)算，普朗克尺度大約是?10-35?米的量級(jí)，所謂普朗克尺度就是理論上的最小尺度，就像零度那樣，不可能再有比這更小的尺度了。而目前普遍認(rèn)為的可觀宇宙的大小是直徑?930?億光年，相當(dāng)于?1026?米的量級(jí)，也就是說(shuō)即便是從最小暴脹到較大，也就是?1061倍。百度百科的數(shù)據(jù)顯然荒謬得很，而《萬(wàn)物簡(jiǎn)史》的那個(gè)數(shù)據(jù)也看著不像，因?yàn)槲掖致杂?jì)算一下，1040?相當(dāng)于一粒塵埃膨脹到現(xiàn)在整個(gè)可觀宇宙的大小。我采信的數(shù)據(jù)是維基百科的數(shù)據(jù)，也就是1026?倍，我根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算，差不多就是一粒灰塵膨脹到?10?個(gè)銀河系的尺度。這種規(guī)模的膨脹是我們這些凡夫俗子窮盡一切想象力也無(wú)法真正理解的。