宇宙起始之谬

当宇宙将你以曲线抛出：宇宙起始之谬

天文学有时候会使人类感到自己很渺小。

就我们的大部分历史来说，人类曾非常狂妄自大。我们相信众神给了我们特殊的关注，甚至会介入我们的日常事务。我们宣称领土属于自己，而忽视了界外发生的那些事。那么，为什么我们甚至一度认为整个宇宙绕着我们转！

但是宇宙并没有义务来听我们微不足道的自吹自擂。我们不仅不在宇宙中心，而且事实上根本就没有一个中心。要了解个中缘由，我们有必要对过往稍作考察，回溯我们自己的历史。

数千年来，地球被认为是宇宙的中心，而天则绕我们转动。毫无疑问的是，观察支持了这一信念。如果到外面看看天空，甚至只是几分钟，你就会发现整个天空在移动。但你不会感觉到任何运动，因此很显然，地球是固定的，而天在动。

即使今天我们已经搞清了这个问题，但在日常交谈中，我们所使用的词汇还是反映出了以地球为中心的宇宙，好像这就是事物本来的方式。“太阳在早晨6时30分升起”与“早晨6时30分，从我位于地球表面的固定位置看去，地平线移动到太阳视位置之下”相比，前者不如后者精确，但讲起来更容易。

大约在公元150年，这个以地球为中心的模型，被希腊天文学家托勒玫（Ptolemy）调整得更为精致。人们用它来预知行星的位置，但行星固执地拒绝遵从这个模型。模型被“精细化”了——也就是说，使它更为复杂——但它从未完全成功。

最终，几个世纪内一系列发现将地球从宇宙中心移出。首先，哥白尼提出一个太阳系的模型，在这个模型中，地球绕太阳转动，而不是之前的太阳绕地球转动。在计算行星位置时，他的模型其实并不完全优于托勒玫的模型。但几十年后，开普勒出现了，并且调整了模型，他发现行星是绕椭圆轨道而非正圆轨道运行。于是，情况就好多了。

因此，依据哥白尼的模型，太阳好像在宇宙中心。这不像让地球在宇宙中心一样令人感到舒适，但也不太糟糕。

大约在20世纪之交，卡普坦（Jacobus Kapteyn）尝试计算出宇宙有多大。他所用的方法很简单：计数恒星。他假定宇宙具有某种形状，并且均匀分布着恒星。如果在某一方向看到更多恒星，那么宇宙就会在这个方向伸展得更远。

卡普坦发现了一个令人惊异的事情：太阳确实在宇宙中心！当他在图上标记出恒星，宇宙满布滴状小斑点，像一只变形虫，但太阳看上去好像正好位于中心位置。也许古代人就是正确的。

或者不是。卡普坦并未考虑空间充满了气体和尘埃，它们会遮蔽我们的视野。想象一下你站在一间像飞机修理库一样巨大的、烟雾弥漫的房间中央。因为烟尘挡住了视线，你向任何方向看去都只能看到——比方说——20米远。因此，你对房间是什么形状全无概念；它可能是圆形或者正方形的，也可能是五角星形。你甚至不知道它有多大！可能在视野之外的1米处就有墙，或者也可能延伸到月球的一半路程那么远。你无法仅凭看就做出判断。但是无论房间多大或者是什么形状，它看上去都好像是半径约20米长，并且你恰好就在中心。

这就是卡普坦的问题。因为面临的气体和尘埃挡住了视野，他只能看出几百光年远，所以在他看来，银河被视为即整个宇宙，它以我们为中心。不过，另一位天文学家沙普利（Harlow Shapley）在1917年所做的观测表明，我们与银河的中心实在相去甚远，而非身处中心。

看明白这个演进模式了吗？起初地球是所有一切的中心——好哇！哦，嗯哼。也许太阳还是中心——耶！但是随后，哎呀，实际上我们是在遥远的银河系边缘呢。哦，这真是彻底令人蒙羞。

但是更令人蒙羞的事还在后面。被称作卡普坦宇宙的宇宙模型即将崩溃了，或者更确切地说是，卡普坦宇宙被推翻了。

哈勃（Edwin Hubble）——太空望远镜就是以他的名字命名的——的观测表明，我们的银河系只是数千、也许数百万个星系中的一个。银河系曾被认为是整个宇宙，实际上它只是漂浮在宇宙空间的一座孤单的恒星岛屿。我们不在一切的中心，我们只是芸芸众生中的一员。

哈勃在分析其他星系发出的光时得出的发现，可能会被视为最让科学家们惊异甚至跳将起来的发现。他发现那些数不清的星系几乎都在远离我们飞奔而去。我们就像宇宙的弃儿，而宇宙中其他的一切全都忙不迭地试图从我们身边逃脱。

别搞错了：这的确是不可思议且完全令人意想不到的。宇宙被认为是静态的、不变的。但是哈勃发现它处于运动中。这些观测的影响不可低估。更有甚者，哈勃发现不仅星系都在离我们飞奔而去，而且离我们更远的星系跑得比离我们近的更快。当时的工具限制了哈勃观测那些非常遥远的星系，但更晚一些时候，随着更大也更灵敏的望远镜投入使用，我们发现哈勃是正确的。星系离得越远，似乎退行得越快。

人们没花很长时间便认识到，这是一次爆炸的特征。如果引爆一个炸弹，几秒钟后拍一个快照，你会发现离中心较远的弹片必定是跑得更快。在给定时间里，最快的弹片运动得最多，而较慢的弹片则远未开始行动。

这意味着宇宙开始于一次巨大的爆炸。可以这样来考虑：如果所有的星系都在随时间流逝而离我们远去，那么它们必定在过去离得更近。如果调转时间箭头，让它往回跑，那么必定在过去某一时刻，宇宙万物都被挤压至一个单一的点。重新让时间往前跑，砰！所有事物都开始运动。

正是大爆炸启动了宇宙，并推动着它四散开来。这有可能是正确的吗？宇宙开始于一个向外爆炸开来的单一的点吗？也许没有一个科学理论会比大爆炸理论更能激起人们的兴奋，刺激人们的恼怒、混乱与敬畏。我猜即使达尔文在进化论方面的观察可能也会拱手让出第一把交椅。

但大爆炸理论的确有令人感到安慰的一面：它假设我们位于中心，因为所有的事物都在远离我们飞奔而去……

……真的是这样吗？让我们来打个比方。想象一下你正坐在电影院里，座位非常拥挤，甚至都挨在一起了。而且，这些座位都在活动轨道上。我揿了一个按钮，突然每个座位都动了起来；现在，每个坐椅之间都有1米的间隔。前后左右离你最近的邻居都有1米远。下一个位子离开2米远，再下一个位子有3米远，依此类推。但是等等！这一点对于房子里的任何一个座位都是适用的。如果你站起来坐到前面两排的座位再来重复这一实验，会看到完全一样的情况。相邻的座位离开1米远，下一个座位离开2米远，如此类推。

因此无论坐在哪，所有的座位看起来都好像是离你而去。这和你是否真的在中心的位子都没关系！

而且，离你最远的位子看上去似乎移动得最快。当我揿下按钮时，与你相邻的坐位移动了1米，下一个坐位移动了2米，依次类推。无论坐在哪儿，你看到的都是一样的：所有的座位看起来似乎都在离你而去，而那些离你更远的座位移动得最快。

这恰恰就是哈勃所发现的。莎士比亚说，“整个世界就是一个舞台”，而没有认识到在某种程度上来说，整个宇宙就是一个电影院。在对哈勃的观测进行研究后，科学家们很快就认识到，宇宙膨胀可能是真实存在的，但它给了我们位居中心的错觉，尽管我们根本不可能在中心。

如果这还不够奇怪，宇宙还有一些把戏藏着没用呢。

有如此这般古怪的事情发生，爱因斯坦逡巡于此附近也就不奇怪了。在哈勃做出令人震惊的发现之前，爱因斯坦正沉浸在关于宇宙的沉思中。他将某些令人畏惧的数学知识应用到这个问题上，碰到了一个难题。他发现，宇宙原来并不是现在这个样子。或者更确切地说，有什么东西支持着它对抗自身的引力。如果任其自由发展的话，宇宙的引力会促使所有的星系相互吸引，而宇宙会迅速坍缩，就像烤炉门砰然关闭后的蛋奶酥。记住，在哈勃之前，宇宙被认为是恒定不变的。肯定有什么东西抵消了引力，这是某种斥力，因此爱因斯坦决定给他的方程式加上一个常数以表示这个斥力。他并不确切知道它是什么，但他认为必须得有这样一个常数。

这只是爱因斯坦一度的想法。当发现外界认为宇宙正在膨胀时，他意识到膨胀本身会抵消引力，他并不需要一个宇宙学常数。爱因斯坦丢弃了它，把它称作“一生中最大的错误”。

这的确是太糟糕了。正像天文学家科什纳（Bob Kirshner）曾向我指出的，要是知道爱因斯坦当时的所知所想，他就能够预言宇宙的膨胀。哎呀，他本会闻名于世！

无论如何，爱因斯坦后来几年逐渐闹明白了，宇宙是一个特殊的地方。首先，他意识到宇宙空间是实体物质。它的意思是，宇宙空间总是被认为仅仅是一个存在着物质的地方，而空间本身并不是一个真实存在。它只是虚空。但爱因斯坦认为宇宙空间是一个看得见摸得着的事物，就像一件织物，而宇宙被编织在其中。引力会使这件织物变形，使空间本身发生弯曲。一个像行星或恒星这样大质量的天体（或者在一个更小的但还是真实的尺度上，一只龙虾、一把牙刷或是一颗钉子）会使空间发生弯曲。

一个常用的比喻是将我们的三维空间比作平面橡胶板。橡胶板伸展开来表示空间。如果滚动一个网球横穿过这个橡胶板，球运动的方式将呈一条直线。但如果在橡胶板上放——比方说——一只保龄球，橡胶板就会被压出一个漏斗形的凹陷。如果再在保龄球附近滚动一只网球，网球的轨迹将会发生弯曲，从而绕保龄球作曲线运动。这就是真实宇宙中所发生的：一个大质量的物体使空间发生弯曲，当一个物体经过它附近时，其轨迹将会弯曲。这一弯曲就是我们所说的引力。

如果空间本身就是一种实体物质，那么空间具有形状就是有可能的。的确，宇宙学的数学强烈地暗示着空间具有某种形状。对我们这些普通人来说，要闹明白这样一个概念的确很难，因此再用二维的比喻加以说明是非常有用的。

假设你是一只蚂蚁，生活在一个在各个方向都无限延伸的平面上。对你来说，没有上或下，所有的方向就是前、后、左、右。如果你开始走动，就会没完没了地走下去，并且总是离出发的地方更远。

但现在我要给你变个戏法。把你从平面上拿下来，放到一只篮球上。你仍然只能前进或后退。但现在，如果你开始笔直地走，最终会走回到出发的地方。真让人惊奇！如果几何学学得不错，你会意识到，也许你的二维空间只是另一个更高维空间的一部分。此外，因为能回到起点，所以你多少可以猜出空间的形状。因为其自身形成闭合曲面，这种空间是封闭的。它有一个边界，因此是有限的。

开放的空间以另一种方式发生弯曲，它的曲面是张开的，像马鞍的形状。如果住在开放的空间，你可以没完没了地走下去，而决不会走回到出发的地点。

这三个空间——开放的、封闭的以及平直的——有着不同的特征。例如，如果还记得中学几何，你就会想起，测量一个三角形的三个内角并把它们相加，会得到180°。但这只有当空间就像本书的书页一样平直时才会发生。如果在球体表面画一个三角形并且做同样的测量，你将会发现三个角相加总是大于180°！

取出一个地球仪。从北极开始，穿过英国格林尼治向下笔直画一条线直到赤道。然后，绕地球仪笔直向西画至地球周长的四分之一。现在，再画一条线向上回到北极。不管几何老师教过什么，你已经画出一个三角形，但每个内角都是90°，加起来却有270°。实际上，几何老师坚守在平直空间里；但在封闭和开放空间中的情形会大相径庭。在开放空间里，三个内角相加小于180°。

因此，如果那只蚂蚁足够聪明，它事实上可以设法仅仅通过画三角形并小心测量它们的角度来计算出自己所在的空间是开放的、封闭的还是平直的。

如果你是一只蚂蚁，那么一切都好了，但对处于三维空间的我们来说会如何呢？实际上，同样的原理是适用的。既然空间本身是弯曲的，那么它可能具有这三种形状（也可以叫作三种几何学）之一。就像蚂蚁一样，你可以试着走走，看是否能回到出发的地点。问题是那个空间非常大，甚至我们所能想象得出的最快的火箭也要花上数十亿甚至数万亿年走回来。谁有这个时间呢？

有一种更简便的方法。高斯（Karl Friedrich Gauss）是一位19世纪的数学家，他解决了大量的宇宙几何学的数学问题。他亲自尝试过以三个小山顶为顶点进行三角测量，但无法判断出三个角相加是否大于或小于180°。

还有其他的方法。方法之一是观测距离极其遥远的天体，仔细观测它们的形态、变化。用复杂的物理学来确定宇宙的形状，这是有可能的。当下，我们最好的测量法显示，宇宙是平直的。要是它在大尺度上是弯曲的，也很难看得出来。

现在，再次想象你是一只蚂蚁，回到球上。作为一只非常聪明的蚂蚁，你可能会问自己：如果我的宇宙是弯曲的，哪里是中心呢？我能走到那儿并且看到它吗？

答案是不！记住，你趴在球的表面上，而没有真正的上下概念。球的中心并不在表面上，它在球的内部，移到了第三维，而你无法接近。你可以探究所有想要探究的东西，但决找不到中心，因为它并不在你所知的宇宙中。

我们的三维宇宙情形与此相同。如果我们的宇宙有一个中心，那么这个中心根本不可能在我们的宇宙中，而在某个更高维内。

偏巧，就连这也可能不是事实。高斯以数学方法表明，宇宙可以被弯曲而未弯曲成任意形状，这就像听上去一样怪异。它存在于此，它被弯曲了，仅此而已。因此，如果有这样的事情，也不会是我们被弯曲成第四维。第四维可能根本不存在，而我们的宇宙完全可能就没有一个中心。

这是所有丢脸事儿中更糟糕的。被逐出宇宙中心是其一，而我们看似身处中心，结果却发现宇宙中无论何处都可以做此声称，这是另一件很丢脸的事。随后，我们被告知根本就没有什么中心，这简直是奇耻大辱。

也许在某种程度上来说，这也算是完美地打了个平手。如果我们不能占据万物的中心，至少其他人也不能。

***

但我们的问题还是没有解决。

当爱因斯坦意识到空间是一个可触摸的真实事物，他也才只是刚开了头。他发现时间是一个在很多方面与空间很相像的量。事实上，空间与时间相互交织得如此紧密，以至于时空连续统这个术语被新造出来，用以描述两者的结合。

爱因斯坦还认为，创世时刻——大爆炸——并不只是一次简单的爆炸（尽管所有一切都包括在内了）。它并不是发生在空间中的一次爆炸，而是一次空间本身的爆炸。万物在这一初始事件中被创造出来，包括空间与时间。因此，问大爆炸之前有些什么其实是没有意义的。这就好像在问，在我出生前我在哪？你不在任何地方。你并不存在。

但时间也在这个事件中被创造出来。因此，问大爆炸前发生了什么是另一个没有意义的问题，是我们所说的不适定问题（illposed question）^[1]。物理学家霍金（Stephen Hawking）打比方说，这就好像在问“北极之北是什么？”什么都不是！问题完全没有意义。

我们想要事情有意义，因为我们习惯于它们依次发生。我早晨起床，骑上脚踏车去上班，煮咖啡。我在醒来前做了什么？我在睡觉。那之前呢？我爬上床，等等。但老实说吧，该有某一个初始事件发生在某一时刻。就我来说，那是1963年1月的一个时刻，那是一个寒冷的夜晚，而我未来的父母决定偎依得更近一些，因此可能有什么事就发生了。

但在那之前乃至更早时候还有一些什么。这样一路追溯上去，最终我们跑到了尽头。那里有一个最初的时刻，一个最初的事件——大爆炸。

电视纪录片中，大爆炸一般被表现为一次爆炸，一个大火球向漆黑一团的外部膨胀扩张。但那是错的！大爆炸是空间本身的初始扩张，宇宙之外并没有一个空间让它可以膨胀开去。全部的宇宙尽皆在此。外面什么都没有，大爆炸之前也没有时间。北极之北是什么？

居住在一个巨大的膨胀的球中，这一错觉依然存在。我自己也很难撼动它。你可能会认为有某个方向指向宇宙的中心，并且如果那样看去就会看到它。问题是，爆炸就在我们四周。我们是大爆炸的一部分，大爆炸就是我们看到的万物：最大的电影院。

还糊涂着呢？这就对了。我有时认为，就连宇宙学家也会在试图构想出第四维以及空间的曲率时感到头痛，尽管他们从不承认这一点。天文学中有一种说法：宇宙学家常常出错，但从不会对自己失却自信。

但我们仍然试图理解我们这个巨大的宇宙。对于这一点，也许爱因斯坦说得最好：“宇宙的最难理解之处就在于它是可理解的。”

在结束这个主题之前，我还要特别提到的是，研究中世纪天文学的历史学家初步得出结论称，对于中世纪的天文学家来说，处于宇宙中心并非享有什么特权地位。人们认为，所有的碎石以及其他的，嗯，天国的废物落向中心，从而形成了地球。因此，宇宙的中心实际上是一个污秽不堪的地方，而非尊贵之所。最终，没有一个中心，这也许是更好的选择。

【注释】

[1]适定问题要满足下列三个要求：1）解是存在的；2）解是唯一的；3）解连续依赖于定解条件。这三个要求中，只要有一个不满足，则称为不适定问题。——译者