宇宙到底怎么个“大”法？

董亮

2014年由哈勃太空望远镜拍摄到的“创生之柱”，呈现了鹰星云内圆柱形的星际气体和尘埃。2007年，专家宣布“创生之柱”将会被6000年前超新星爆炸的冲击波摧毁。目前可以看到冲击波接近“创生之柱”，但因为光速有限，地球上的观测者在未来的1000年仍看不出破坏的发生

人们说，宇宙很大。但要真正了解宇宙有多大，我们可能无能为力。一方面，我们日常的语言和概念很难形容宇宙的广阔;另一方面，我们观察到的宇宙范围有限;再一方面，我们可能甚至遭到无法克服的束缚，从而使我们永远没有观察宇宙真相的工具。

天文数字

大部分人连对地球的大小都没有概念，更别说银河系和星际空间了。我们常常使用光年—光一年能走过的距离—作为度量单位，因为用光速形容，似乎比一个几万亿公里之类的数值更加直观。当光成为参照物时，我们就可以说光从地球到达月亮需要1.3秒，来描述地月距离。

然而，我们日常所感知的光是一种瞬间到来、瞬间消失的物质。这种无法捕捉到距离概念的物质，又怎样帮助我们真正感受距离呢？用光来描述距离，就好像用原子的数量来描述高楼大厦的高度。

再有创意一点，我们可以将生活经验代入。月亮离地球有3200万台校车连起来那么长！如果你以60英里时速开校车去月球，要走166天！看上去很形象，但这能有多大帮助呢？不好说。

数字大到一定程度、远离我们生活的范畴，我们就对它失去概念了。有时，为了让大数字看上去不要那么夸张，我们会“作弊”一下。例如把描述天文距离的计量单位弄得数值很大，从公里到光年，到秒差距，到千秒差距、兆秒差距、千兆秒差距……这样写起来比较舒服。

还有幂的帮忙，1000是10的三次幂，1万亿是10的12次幂。数字位数每十倍增加一位，再使用科学计数法，数字看上去又变得简练了。

在太阳系之内，我们去到某一个点（例如太阳系边缘）要花多长时间、走多远路，多少都可以用人们能理解的方式描述一番。但理解整个宇宙不能用这种方法。

理解宇宙距离的困难，不仅仅在于数字大得没边，而且和宇宙的性质有关。从“大爆炸”开始，宇宙就在扩张，而且没有停下来的迹象。当仰望天上星河的时候，你不但要明白那些星星的年龄已经十分古老，你还要知道它们早就不再留在你所看到的位置了。

就拿超新星爆发来说吧。10亿光年外的超新星爆发，意味着爆发发生在10亿年前，因为光走了10亿年才被我们看到。但是随着宇宙扩张，现在它却离我们不止10亿光年了。

所以讨论宇宙距离的时候，绝大多数人会犯迷糊：讨论天体离我们有多远，究竟是讨论它们过去离我们有多远、还是现在离我们有多远呢？比较A天体离我们有多远和B天体离我们有多远，A天体、B天体和地球三者之间的距离关系又怎样理解呢？

无限有界

虽然宇宙距离概念令人头晕脑涨，但科学家依然努力尝试了解宇宙的大小和边界。无数的星系被观察，无数的星系图被绘制。人们试图从中寻找线索，了解宇宙的边缘或者中心在哪里。

从地球到月球的平均距离是38.4万公里，图为“欧西里斯-雷克斯”号宇宙飞船在大约300万英里外观察到的地球和月球

宇宙诞生的第一束光，用了138亿年才让人类看到。

然而，一无所获。

人们似乎只能相信，宇宙是无限的。无论从哪个方向观察，它的形式不会有太明显的变化。地球所在的银河就像沙漠中的一粒沙，一旦把镜头拉远，沙漠中的所有东西，多多少少都是同一个样子。

宇宙可能是无限的，但人类观察到的宇宙是有边界的。无论望远镜有多强大、无论观察多长的时间，人类的观察，无法突破一个叫作“可观测宇宙”的范围的束缚。可观测宇宙是一个想象中的球状物，人类处于球的中心。球的大小由光速和宇宙的年龄来界定：当一束光用宇宙诞生的所有时间来到我们眼前时，这束光走过的距离，就是可观测宇宙的球半径。

宇宙诞生的第一束光，用了138亿年才让人类看到。人们看到这束光时，就看到宇宙的过去，看到宇宙最初的样子。这束光被称为“宇宙地平线”。而宇宙地平线以外的东西实在太遠，即使从宇宙诞生起就开始出发，现在依然不能走到人类面前。

人们相信，宇宙地平线以外肯定还有星系。正如当人站在陆地上望向海洋，海洋看似一望无际;但人坐上船后，地平线会发生变化，最终在某一个位置，人会看到另一片陆地。假如乘着星际飞船飞到宇宙另一个角落，人类也会看到新的宇宙地平线。可惜受物理定律和科技发展的限制，人类目前无法去另一个能对宇宙展开全新观察的地方，但依然可以通过观察宇宙地平线本身，来猜想地平线以外的世界。

可观测宇宙的边缘是一幅令人震撼的图景。越遥远的光越古老，最早的宇宙像烘炉一样，热气和火焰稠密地混合在一起。随着宇宙扩张，烘炉状态在38万年后开始缓和，宇宙的温度逐渐冷却，光以及其他粒子开始可以自由运动。

燃烧的宇宙构成了可观测宇宙的边界。但正如前面超新星例子所说明那样，宇宙地平线离我们远远不只138亿光年。通过收集各类数据，人们可以测算宇宙扩张的速度，从而得知可观测宇宙的边界目前离地球约有450亿光年之遥。

人们还尝试推测可观测宇宙之外的样子。宇宙向各个方向膨胀，膨胀到离地平线远得多的地方。这意味着假如我们生存在一个宇宙地平线以外的星系，我们看到的宇宙与现在看到的大同小异。当然，理论上说，也许在一个与地平线距离无比遥远的位置，宇宙的样子会截然不同。不过，那真的是我们连推测都推测不出样子的宇宙了。

高维困境

宇宙之大，我们不能想象。甚至宇宙之大，我们也可能找不到办法想象。这就涉及维度问题了。

人类认识的空间是三维空间，点构成线（一维），线构成面（二维），面构成体（三维）。人类感知的方向，主要是由上下、左右和前后三组方位组合而成。普通人的日常体验，无法想象出第四组方位、进而无法想象四维空间。而经过训练的研究者，尽管可以用数学工具来描述四维空间，但作为三维空间生物，可能无论如何研究，都不能真正体验、感受四维空间。

四维空间立方体模型

四维宇宙中还有更多的“膜宇宙”，“膜”与“膜”之间碰撞，形成所谓“大爆炸”的状态。

好比一张正常的纸接近是二维物体（虽然有厚度，但为了便于理解忽略不计），如果我们硬要把它弄出高来，我们就要把它折叠或者撕开。三维空间的物体进入四维空间很可能也会遭受这种“折磨”。假如进入四维空间，可能我们的身体也会被撕碎。

科学家之所以推测四维空间存在，是因为这有助于解释一个疑问：为什么引力的大小远小于其他三种自然界基本力（电磁力、弱作用力、强作用力）。四维空间理论，想象我们所处的三维空间是一张“膜”，处于四维空间这个“体”内。电磁力、弱作用力、强作用力只在“膜”里面生效，但引力会“流出”到“体”之中，这就造成了引力的大小大大降低。

这跟宇宙的大小有什么关系呢？“膜”的假设引申出“膜宇宙”理论。我们所认识的三维宇宙，依附于一个四维宇宙。四维宇宙中还有更多的“膜宇宙”，“膜”与“膜”之间碰撞，形成所谓“大爆炸”的状态。大爆炸之后宇宙扩张，最终又会再次碰撞到其他宇宙，出现坍缩，再重新爆炸，如此周而复始。“膜宇宙”理论认为，目前可观测宇宙边缘的熊熊烈火，就是不同宇宙碰撞后的产物。

“膜宇宙”对经典的大爆炸理论有一定修正。后者认为，宇宙最初是一个极紧密、极炽热的奇点，逐渐膨胀到现在的状态。但是这套理论解释不了一种现象：大爆炸会留下一种叫宇宙微波背景的辐射，就是这种辐射向我们透露了宇宙在38万年前开始“降温”。无论我们从哪个方向观察，任何观察到的宇宙微波背景的数据，包括光谱、密度等高度一致，误差程度只有10万分之一。

这让人产生疑问：不同方向的宇宙微波背景彼此距离非常遥远，它们如何保持状态一致？即使在奇点阶段，宇宙只是很小的一团，保证各个位置的状态均匀，但扩张的过程中难道不应该出现各种不同情况、令向外扩张的不同位置演化出不同状态吗？

科学家提出“暴涨”理论，试图解决这个问题—宇宙可能遭遇过瞬间扩张，可观测宇宙在很短时间内、从古老宇宙的很小范围中“膨胀”而成。所以，当我们顺着宇宙微波背景观察可观测宇宙的过去时，会发现各处状态一致。

蟹狀星云超新星爆炸遗迹

“膜宇宙”理论补充了“暴涨”理论的一些空白，它推测“暴涨”的动力来源于“膜”与“膜”在四维空间的碰撞。两者相接触后产生巨大能量，激发瞬间扩张，同时让我们看到可观测宇宙边缘灿烂的火光四射场景。

然而，怎样证明四维空间存在呢？就算能证明四维空间存在，我们又能否到四维空间观察到不同宇宙之间的碰撞呢？这是将猜想转化为证明的困难所在，这也是即使“膜宇宙”理论言之有理、我们却也难以看清宇宙真正大小的原因所在。

不过，无论探索宇宙之大有多困难，人类从不停止努力。古人又何尝想到，我们现在已经有能力看到宇宙原始的样子呢？或许随着时间流逝，人类将继续前进，揭开宇宙故事的完整真相。

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