哈勃空间望远镜升空三十周年丨宇宙边缘之外有什么？
撰文丨科林·斯图尔特
摘编丨何安安
1990年4月24日，哈勃空间望远镜发射升空，而这意味着，就在今天，它将迎来自己三十岁的生日。为了渡过这个特别的生日，从上月底开始，美国国家航空航天局
（NASA）
上线了一档特别的生日礼物——公开了366张珍贵宇宙图像。也就是说，任何人只要上其官网“生日宇宙”专题页面选择自己的出生日期，就能看到生日当天哈勃空间望远镜所拍下的宇宙图像。
人类对于宇宙的 探索 当然不止于此，在伽利略用望远镜对准天空之前，古人们已经用肉眼观测星空，并由此衍生出了纷繁复杂的 星座 图案。但在地球上观测宇宙，显然会受到大气层的极大限制。因此，在上世纪四十年代，美国天文学家莱曼·斯皮策首次提出了天空望远镜的概念。但“在地球以外进行天文观测”这一梦想，直到半个世纪以后才得以实现。
三十年前，“发现号”航天飞机将哈勃空间望远镜送入轨道，但哈勃空间望远镜回传的第一组照片成像质量远低于预期。直到1994年1月13日，经过光路修正的哈勃空间望远镜回传的一组照片，让人类世界第一次看到了清晰的河外星系，哈勃也由此正式成为天文学家观测宇宙的强有力工具。
即便是并不关心宇宙的人们，也很少有人不知道哈勃。截至目前，以星系天文学之父埃德温·哈勃命名的它，已经拍摄了数百万张最令人惊叹的遥远恒星和星系的图像。在559千米高度的低地球轨道上，这架重达11吨，轨道速度为7.5km/s，只需96分钟就能绕地球飞行一圈的哈勃空间望远镜，已经连续工作了三十年。
去年5月，哈勃太空望远镜科学家公布了最新的宇宙照片——“哈勃遗产场”
(HLF)
，这是迄今最完整最全面的宇宙图谱，由哈勃在16年间拍摄的7500张星空照片拼接而成，包含约265000个星系，其中有些已至少133亿岁“高龄”，对其进行研究有助于科学家深入了解更早的宇宙 历史 。
无论是反物质的谜团，还是偏远的恒星和星球，毫无疑问，宇宙充满了秘密。在阿普丽尔·马登编著的《飞向宇宙深处》一书中，马登邀请了一些世界顶级科学家分享他们的惊人发现和研究理论，以便人们可以进一步了解宇宙的秘密。那么，宇宙边缘之外又有些什么呢？英国皇家天文学会成员、科学及天文学作家科林·斯图尔特
(Colin Stuart)
对此展开了他的论述。
以下内容节选自阿普丽尔·马登编著的《飞向宇宙深处》一书，由科林·斯图尔特撰写，已获得出版社授权刊发。
《飞向宇宙深处》，[英]阿普丽尔·马登编著，李诗聪译，中国画报出版社2019年8月版。
在一个晴朗的夜晚，你可以在夜空中看到宇宙很远的地方。你看到的有些星离地球有超过10000光年远。比那里还要远的地方就是著名的仙女座星系，离我们银河系最近的星城，也可能是你用肉眼可以看见的最遥远的星体。仙女座与我们之间的距离远得令人难以置信，足足有250万光年远。那意味着现在从仙女座来到地球上的光已经在宇宙中长途跋涉了250万年。以光速从离我们最近星系到地球所需的时间，就可以结束整个人类 历史 了。有了双筒望远镜和天文望远镜以后，你还可以看到离家乡更远的星体。
但是这一切在哪里结束呢？甚至，真的存在所谓的终点吗？
一些天文学家相信宇宙是无限且永远存在的
“我们只是不知道。”伦敦大学学院的宇宙学家安德鲁·波岑
(Andrew Pontzen)
说道，“没有证据表明宇宙有边缘，但是我们能够看到的宇宙是有边缘的。”我们在太空中能看见的星体只是有足够时间让光到达地球。对于仙女座来说，这个时间是250万年，但是对更远的星系来说，光需要旅行的时间也会增加。有一些星系离我们非常遥远，所以从大爆炸以来的将近140亿年的时间里，那里的光还没有传到我们这里。这标志着我们可见的宇宙边缘，也就是我们可以看到的那一部分，但并不是宇宙的终点。“这就像你看不见地平线之外的东西，但是地球并不是在那里终结的。”波岑说道。因此，理论上来说，每过一天，就会带来新的光线，让我们将宇宙视界推得更远。但是，事实并不是这么简单。
宇宙边缘
“你等待的时间越长，你能够看到的地方就应该越远。”波岑说道，“然而，由于暗能量的存在，宇宙的膨胀开始明显加速。”这个加速的膨胀将让原本就离我们很遥远的一部分宇宙以更快的速度远离我们。最后，我们会到达一个时间点。在那个时间点上，我们看得见的地方就是我们最终能看见的最远的地方了。但是在可见视界外可能有些什么呢？其实很有很可能和现在看到的部分一样。
有些天文学家相信宇宙是无限的，而且可以永远存在下去，没有边缘或边界，会有更多的恒星和更多的星系。这个想法引出了一个可能令人十分不安的结论，就是在广袤的宇宙中，可能存在着很多个一模一样的你。想象一下，你有6个骰子，你把它们一起扔了100万次。这6个骰子组成的结果一***有46656种可能性，所以在你扔100万次的过程中，很有可能你可以扔出1、2、3、4、5、6这个顺序的骰子组合好几次。你可以排列组合六颗骰子的方法是有限的，同样，你可以排列组合宇宙中原子的方法也是有限的。
但在无限的宇宙中，你其实就在无限次地扔骰子。1、2、3、4、5、6的组合在100万次扔骰子的过程中很有可能会出现好几次，同样，在无限的宇宙中，你原子在你体内的“独特”组合也一定会重复出现。所以，在一个地球的复制品上，会有一个你的复制品，在读这篇文章的复制品。实际上，在一个无限的宇宙中，就会有无限个你的复制品。而且，几乎可以肯定的是，他们一定在可见的宇宙视界之外，你永远也不会遇见另一个自己。
在无限的宇宙离，有无限个地球的复制品和无限个你的复制品。
这是多元宇宙论的一个版本。其实，只要你在宇宙中走的足够远，远到宇宙自己也开始重复自己的时候，你就会得到同一样东西的好几个复制品。但是，多元宇宙论还有一个版本。它的主要支持者之一劳拉·梅尔西尼-霍顿
(Laura Mersini-Houghton)
认为，这个版本可以告诉我们更多关于宇宙边缘的信息。劳拉是北卡罗莱纳大学教堂山分校的一名理论物理学家。她不仅相信其他宇宙的存在，还认为她找到了一个邻近宇宙的证据，那个宇宙正在干扰我们的宇宙。
大爆炸的那段时期发生了什么？
这一切都和宇宙微波背景有关。宇宙微博背景是大爆炸的余晖，在138亿年前就充满了我们的整个宇宙。它是空旷空间背景的一张温度地图，告诉我们大爆炸的剩余能量是如何持续地给我们的宇宙稍加温的。这张地图包含了一些与背景温度不同的小偏差，也就是一些微小的热点或冷点。只有一个冷点并不是那么小。“它覆盖了天空中大约占了10开氏度的部分。”梅尔西尼-霍顿说道。剩下的热点或者冷点所占部分都不超过1开氏度。所以这个大冷点是哪儿来的呢？
宇宙的组成
关于大爆炸的那段时期发生了什么，有一个主要猜测提到，宇宙在一段极其短暂的时间中，经历了一个成长爆发期。在最初的10-12秒中，宇宙从一个比原子还要小得多的物质长成了一颗弹珠那么大。然后，它继续膨胀，成为了我们今天看见的宇宙。这个过程中的膨胀速度仍然很快，但是比初始阶段要从容多了。在这个起初的阶段中，扩张的速度好像“服用了类固醇”一样快，这个阶段就叫作宇宙暴胀。根据暴胀理论，宇宙微波背景中的微小温度变化就是在暴胀前期产生的微小量子波动的结果。
当宇宙突然膨胀时，这些量子波动就冻在了宇宙里。由于这些量子波动是随机的，而且大小基本相同，所以它们应该也造成了热点和冷点。因此，当出现了一块特别大的冷点时，科学家都不明白发生了什么。“在我们的预期中，宇宙微波背景会是均匀一致的，而这个发现严重地打破了我们的预期。”梅尔西尼-霍顿说道。
她提出的解释是很激进的，也根本没有被大多数科学家所接受，但是这个解释可能会帮助我们回答宇宙在哪里终结这个问题。根据暴胀理论的一个版本，这个过程不只发生了一次。“暴胀过程创造出了很多其他的宇宙，与我们的宇宙很相似。”她说道。在每一个宇宙膨胀之前，它们之间可能***享着一个量子链接。“我们顺着量子链接的这个思路调查，看看这些链接现在看上去会是什么样的。”她说道。
她的计算结果预测出了宇宙微波背景中的一个冷点。重要的是，在天文学家确认这个冷点的发现之前，梅尔西尼-霍顿和她的团队就公开了这个预测。然而，不是所有的宇宙学家都相信这个理论。“宇宙学领域达成的普遍***识是，目前的数据并不支持这个观点。”波岑说道，“在这种类型的案例中，需要非凡的证据来证实这个非凡的想法。”然而，如果梅尔西尼-霍顿是正确的话，她已经可以提出我们宇宙边缘所处的位置了。那么她的回答呢？“宇宙的边缘起码要比我们宇宙视界的边缘要远1000倍。”她说道。
宇宙 历史 时间表，从宇宙微波背景的释放，也就是宇宙中最老的光线(左)到第一批恒星和星系的形成。
她不是唯一的一个在推翻我们宇宙学思想界限的人，她也不是唯一一个对我们居住的宇宙提出可能是革命性的理解的人。康涅狄格州纽黑文大学的尼克德姆·波普罗斯基
(NikodemPoplawski)
是另一个在挑战我们已有智慧的物理学家。“根据广义相对论的说法，大爆炸是从一个奇点开始的。”波普罗斯基说道。
宇宙可能在宇宙视界以外的某个地方终结吗？
一个奇点是一个无限小、无限重的点。这个点可能在暴胀期间变成了一颗弹珠大小，然后再继续膨胀。但是宇宙的诞生不是唯一一个你会遇到奇点的地方。“掉进黑洞中的物质最后都会集中在一个奇点上。”波普罗斯基解释道。黑洞是一个引力怪兽，如果一个物体被拉入了黑洞，它将无法逃脱黑洞。他想知道黑洞最终的奇点是否真的可能变成一个初始奇点，让新的宇宙由此诞生。
奇点面临的问题是，一个无限小、密度无限高的点在物理学上说不通。怎么可能有一个东西没有大小，或者可以无限重？因此，波普罗斯基偶然发现了一种机制。在这种机制里，掉入黑洞的物体就快要形成奇点了，也就是极端小、密度极端高的一点。但是，在物质变得无限小、密度无限高之前，它会开始“弹跳”。它会弹到哪里去呢？物质不能弹出黑洞，因为按照定义，没有东西可以逃出黑洞的魔爪。“它必须去了哪里。”他说道，“在弹跳之后，它发生了爆炸，创造出新的空间，一个新的宇宙。”
黑洞底部的奇点可能是让新的宇宙诞生的种子。
当他向他的学生解释他的想法时，他用了一个从著名科幻电视剧《神秘博士》而来的比喻。“当你进入时间和空间相对维度
(TARDIS)
时，你意识到自己处在比警察电话亭要大的一个空间里。”他说道，“就像时间和空间相对维度的门是飞船的一扇门一样，黑洞就是通往新宇宙的一扇球形的门。”
所以，如果波普罗斯基是正确的话，在另一个宇宙中的一个黑洞创造出了我们的宇宙。这对我们的宇宙边缘来说有什么意义呢？“它不会有边缘。”他说道，“它会像一个球体表面一样。”比如说，地球的表面就没有边缘。如果你走出你的房子，沿着一条直线行走
(即便穿过海洋也要继续走)
，你最后会走到你开始的地方。因此，根据波普罗斯基的想法，如果你从地球开始，旅行足够远的距离，你最终会在宇宙中绕一圈，回到你的家。没有边缘，没有界限。
至今为止，我们都很难知道哪一幅画面才是对宇宙的正确描绘。宇宙可能在宇宙视界以外的某个地方终结。或者，它也可能可以永远继续下去，意味着在太空中一定会有一模一样的你。同样，我们也可能住在一个巨大的多元宇宙中，或者我们是一个黑洞在另一个宇宙中形成而产生的灾难性结果。只有通过更多的调查，更多的观测和更大量的天文数据才能得到更多答案。
然而，可以肯定的是，这个宇宙比我们现在看到的还要大得多。
本文节选自《飞向宇宙深处》，小标题为编者所加，非原文所有。已获得出版社授权刊发。
作者丨[英]科林·斯图尔特
摘编丨何安安
编辑丨张进
校对丨刘军