哈勃空間望遠鏡升空三十周年丨宇宙邊緣之外有什麽？
撰文丨科林·斯圖爾特
摘編丨何安安
1990年4月24日，哈勃空間望遠鏡發射升空，而這意味著，就在今天，它將迎來自己三十歲的生日。為了渡過這個特別的生日，從上月底開始，美國國家航空航天局
（NASA）
上線了壹檔特別的生日禮物——公開了366張珍貴宇宙圖像。也就是說，任何人只要上其官網“生日宇宙”專題頁面選擇自己的出生日期，就能看到生日當天哈勃空間望遠鏡所拍下的宇宙圖像。
人類對於宇宙的 探索 當然不止於此，在伽利略用望遠鏡對準天空之前，古人們已經用肉眼觀測星空，並由此衍生出了紛繁復雜的 星座 圖案。但在地球上觀測宇宙，顯然會受到大氣層的極大限制。因此，在上世紀四十年代，美國天文學家萊曼·斯皮策首次提出了天空望遠鏡的概念。但“在地球以外進行天文觀測”這壹夢想，直到半個世紀以後才得以實現。
三十年前，“發現號”航天飛機將哈勃空間望遠鏡送入軌道，但哈勃空間望遠鏡回傳的第壹組照片成像質量遠低於預期。直到1994年1月13日，經過光路修正的哈勃空間望遠鏡回傳的壹組照片，讓人類世界第壹次看到了清晰的河外星系，哈勃也由此正式成為天文學家觀測宇宙的強有力工具。
即便是並不關心宇宙的人們，也很少有人不知道哈勃。截至目前，以星系天文學之父埃德溫·哈勃命名的它，已經拍攝了數百萬張最令人驚嘆的遙遠恒星和星系的圖像。在559千米高度的低地球軌道上，這架重達11噸，軌道速度為7.5km/s，只需96分鐘就能繞地球飛行壹圈的哈勃空間望遠鏡，已經連續工作了三十年。
去年5月，哈勃太空望遠鏡科學家公布了最新的宇宙照片——“哈勃遺產場”
(HLF)
，這是迄今最完整最全面的宇宙圖譜，由哈勃在16年間拍攝的7500張星空照片拼接而成，包含約265000個星系，其中有些已至少133億歲“高齡”，對其進行研究有助於科學家深入了解更早的宇宙 歷史 。
無論是反物質的謎團，還是偏遠的恒星和星球，毫無疑問，宇宙充滿了秘密。在阿普麗爾·馬登編著的《飛向宇宙深處》壹書中，馬登邀請了壹些世界頂級科學家分享他們的驚人發現和研究理論，以便人們可以進壹步了解宇宙的秘密。那麽，宇宙邊緣之外又有些什麽呢？英國皇家天文學會成員、科學及天文學作家科林·斯圖爾特
(Colin Stuart)
對此展開了他的論述。
以下內容節選自阿普麗爾·馬登編著的《飛向宇宙深處》壹書，由科林·斯圖爾特撰寫，已獲得出版社授權刊發。
《飛向宇宙深處》，[英]阿普麗爾·馬登編著，李詩聰譯，中國畫報出版社2019年8月版。
在壹個晴朗的夜晚，妳可以在夜空中看到宇宙很遠的地方。妳看到的有些星離地球有超過10000光年遠。比那裏還要遠的地方就是著名的仙女座星系，離我們銀河系最近的星城，也可能是妳用肉眼可以看見的最遙遠的星體。仙女座與我們之間的距離遠得令人難以置信，足足有250萬光年遠。那意味著現在從仙女座來到地球上的光已經在宇宙中長途跋涉了250萬年。以光速從離我們最近星系到地球所需的時間，就可以結束整個人類 歷史 了。有了雙筒望遠鏡和天文望遠鏡以後，妳還可以看到離家鄉更遠的星體。
但是這壹切在哪裏結束呢？甚至，真的存在所謂的終點嗎？
壹些天文學家相信宇宙是無限且永遠存在的
“我們只是不知道。”倫敦大學學院的宇宙學家安德魯·波岑
(Andrew Pontzen)
說道，“沒有證據表明宇宙有邊緣，但是我們能夠看到的宇宙是有邊緣的。”我們在太空中能看見的星體只是有足夠時間讓光到達地球。對於仙女座來說，這個時間是250萬年，但是對更遠的星系來說，光需要旅行的時間也會增加。有壹些星系離我們非常遙遠，所以從大爆炸以來的將近140億年的時間裏，那裏的光還沒有傳到我們這裏。這標誌著我們可見的宇宙邊緣，也就是我們可以看到的那壹部分，但並不是宇宙的終點。“這就像妳看不見地平線之外的東西，但是地球並不是在那裏終結的。”波岑說道。因此，理論上來說，每過壹天，就會帶來新的光線，讓我們將宇宙視界推得更遠。但是，事實並不是這麽簡單。
宇宙邊緣
“妳等待的時間越長，妳能夠看到的地方就應該越遠。”波岑說道，“然而，由於暗能量的存在，宇宙的膨脹開始明顯加速。”這個加速的膨脹將讓原本就離我們很遙遠的壹部分宇宙以更快的速度遠離我們。最後，我們會到達壹個時間點。在那個時間點上，我們看得見的地方就是我們最終能看見的最遠的地方了。但是在可見視界外可能有些什麽呢？其實很有很可能和現在看到的部分壹樣。
有些天文學家相信宇宙是無限的，而且可以永遠存在下去，沒有邊緣或邊界，會有更多的恒星和更多的星系。這個想法引出了壹個可能令人十分不安的結論，就是在廣袤的宇宙中，可能存在著很多個壹模壹樣的妳。想象壹下，妳有6個骰子，妳把它們壹起扔了100萬次。這6個骰子組成的結果壹***有46656種可能性，所以在妳扔100萬次的過程中，很有可能妳可以扔出1、2、3、4、5、6這個順序的骰子組合好幾次。妳可以排列組合六顆骰子的方法是有限的，同樣，妳可以排列組合宇宙中原子的方法也是有限的。
但在無限的宇宙中，妳其實就在無限次地扔骰子。1、2、3、4、5、6的組合在100萬次扔骰子的過程中很有可能會出現好幾次，同樣，在無限的宇宙中，妳原子在妳體內的“獨特”組合也壹定會重復出現。所以，在壹個地球的復制品上，會有壹個妳的復制品，在讀這篇文章的復制品。實際上，在壹個無限的宇宙中，就會有無限個妳的復制品。而且，幾乎可以肯定的是，他們壹定在可見的宇宙視界之外，妳永遠也不會遇見另壹個自己。
在無限的宇宙離，有無限個地球的復制品和無限個妳的復制品。
這是多元宇宙論的壹個版本。其實，只要妳在宇宙中走的足夠遠，遠到宇宙自己也開始重復自己的時候，妳就會得到同壹樣東西的好幾個復制品。但是，多元宇宙論還有壹個版本。它的主要支持者之壹勞拉·梅爾西尼-霍頓
(Laura Mersini-Houghton)
認為，這個版本可以告訴我們更多關於宇宙邊緣的信息。勞拉是北卡羅萊納大學教堂山分校的壹名理論物理學家。她不僅相信其他宇宙的存在，還認為她找到了壹個鄰近宇宙的證據，那個宇宙正在幹擾我們的宇宙。
大爆炸的那段時期發生了什麽？
這壹切都和宇宙微波背景有關。宇宙微博背景是大爆炸的余暉，在138億年前就充滿了我們的整個宇宙。它是空曠空間背景的壹張溫度地圖，告訴我們大爆炸的剩余能量是如何持續地給我們的宇宙稍加溫的。這張地圖包含了壹些與背景溫度不同的小偏差，也就是壹些微小的熱點或冷點。只有壹個冷點並不是那麽小。“它覆蓋了天空中大約占了10開氏度的部分。”梅爾西尼-霍頓說道。剩下的熱點或者冷點所占部分都不超過1開氏度。所以這個大冷點是哪兒來的呢？
宇宙的組成
關於大爆炸的那段時期發生了什麽，有壹個主要猜測提到，宇宙在壹段極其短暫的時間中，經歷了壹個成長爆發期。在最初的10-12秒中，宇宙從壹個比原子還要小得多的物質長成了壹顆彈珠那麽大。然後，它繼續膨脹，成為了我們今天看見的宇宙。這個過程中的膨脹速度仍然很快，但是比初始階段要從容多了。在這個起初的階段中，擴張的速度好像“服用了類固醇”壹樣快，這個階段就叫作宇宙暴脹。根據暴脹理論，宇宙微波背景中的微小溫度變化就是在暴脹前期產生的微小量子波動的結果。
當宇宙突然膨脹時，這些量子波動就凍在了宇宙裏。由於這些量子波動是隨機的，而且大小基本相同，所以它們應該也造成了熱點和冷點。因此，當出現了壹塊特別大的冷點時，科學家都不明白發生了什麽。“在我們的預期中，宇宙微波背景會是均勻壹致的，而這個發現嚴重地打破了我們的預期。”梅爾西尼-霍頓說道。
她提出的解釋是很激進的，也根本沒有被大多數科學家所接受，但是這個解釋可能會幫助我們回答宇宙在哪裏終結這個問題。根據暴脹理論的壹個版本，這個過程不只發生了壹次。“暴脹過程創造出了很多其他的宇宙，與我們的宇宙很相似。”她說道。在每壹個宇宙膨脹之前，它們之間可能***享著壹個量子鏈接。“我們順著量子鏈接的這個思路調查，看看這些鏈接現在看上去會是什麽樣的。”她說道。
她的計算結果預測出了宇宙微波背景中的壹個冷點。重要的是，在天文學家確認這個冷點的發現之前，梅爾西尼-霍頓和她的團隊就公開了這個預測。然而，不是所有的宇宙學家都相信這個理論。“宇宙學領域達成的普遍***識是，目前的數據並不支持這個觀點。”波岑說道，“在這種類型的案例中，需要非凡的證據來證實這個非凡的想法。”然而，如果梅爾西尼-霍頓是正確的話，她已經可以提出我們宇宙邊緣所處的位置了。那麽她的回答呢？“宇宙的邊緣起碼要比我們宇宙視界的邊緣要遠1000倍。”她說道。
宇宙 歷史 時間表，從宇宙微波背景的釋放，也就是宇宙中最老的光線(左)到第壹批恒星和星系的形成。
她不是唯壹的壹個在推翻我們宇宙學思想界限的人，她也不是唯壹壹個對我們居住的宇宙提出可能是革命性的理解的人。康涅狄格州紐黑文大學的尼克德姆·波普羅斯基
(NikodemPoplawski)
是另壹個在挑戰我們已有智慧的物理學家。“根據廣義相對論的說法，大爆炸是從壹個奇點開始的。”波普羅斯基說道。
宇宙可能在宇宙視界以外的某個地方終結嗎？
壹個奇點是壹個無限小、無限重的點。這個點可能在暴脹期間變成了壹顆彈珠大小，然後再繼續膨脹。但是宇宙的誕生不是唯壹壹個妳會遇到奇點的地方。“掉進黑洞中的物質最後都會集中在壹個奇點上。”波普羅斯基解釋道。黑洞是壹個引力怪獸，如果壹個物體被拉入了黑洞，它將無法逃脫黑洞。他想知道黑洞最終的奇點是否真的可能變成壹個初始奇點，讓新的宇宙由此誕生。
奇點面臨的問題是，壹個無限小、密度無限高的點在物理學上說不通。怎麽可能有壹個東西沒有大小，或者可以無限重？因此，波普羅斯基偶然發現了壹種機制。在這種機制裏，掉入黑洞的物體就快要形成奇點了，也就是極端小、密度極端高的壹點。但是，在物質變得無限小、密度無限高之前，它會開始“彈跳”。它會彈到哪裏去呢？物質不能彈出黑洞，因為按照定義，沒有東西可以逃出黑洞的魔爪。“它必須去了哪裏。”他說道，“在彈跳之後，它發生了爆炸，創造出新的空間，壹個新的宇宙。”
黑洞底部的奇點可能是讓新的宇宙誕生的種子。
當他向他的學生解釋他的想法時，他用了壹個從著名科幻電視劇《神秘博士》而來的比喻。“當妳進入時間和空間相對維度
(TARDIS)
時，妳意識到自己處在比警察電話亭要大的壹個空間裏。”他說道，“就像時間和空間相對維度的門是飛船的壹扇門壹樣，黑洞就是通往新宇宙的壹扇球形的門。”
所以，如果波普羅斯基是正確的話，在另壹個宇宙中的壹個黑洞創造出了我們的宇宙。這對我們的宇宙邊緣來說有什麽意義呢？“它不會有邊緣。”他說道，“它會像壹個球體表面壹樣。”比如說，地球的表面就沒有邊緣。如果妳走出妳的房子，沿著壹條直線行走
(即便穿過海洋也要繼續走)
，妳最後會走到妳開始的地方。因此，根據波普羅斯基的想法，如果妳從地球開始，旅行足夠遠的距離，妳最終會在宇宙中繞壹圈，回到妳的家。沒有邊緣，沒有界限。
至今為止，我們都很難知道哪壹幅畫面才是對宇宙的正確描繪。宇宙可能在宇宙視界以外的某個地方終結。或者，它也可能可以永遠繼續下去，意味著在太空中壹定會有壹模壹樣的妳。同樣，我們也可能住在壹個巨大的多元宇宙中，或者我們是壹個黑洞在另壹個宇宙中形成而產生的災難性結果。只有通過更多的調查，更多的觀測和更大量的天文數據才能得到更多答案。
然而，可以肯定的是，這個宇宙比我們現在看到的還要大得多。
本文節選自《飛向宇宙深處》，小標題為編者所加，非原文所有。已獲得出版社授權刊發。
作者丨[英]科林·斯圖爾特
摘編丨何安安
編輯丨張進
校對丨劉軍