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universe）理論。這是一種古老的哲學(xué)思想，“ekpyrotic”這個(gè)詞在希臘語(yǔ)中的意思是“大火”。古希臘斯多葛學(xué)派認(rèn)為宇宙就是一團(tuán)大火，處在誕生、冷卻和再生的永恒循環(huán)中。 　　在火宇宙模型中，宇宙不斷循環(huán)，而我們目前正處于“爆炸”階段，最終會(huì)（以某種方式）慢下來(lái)，停止，逆轉(zhuǎn)，并壓縮回到難以置信的高溫和高壓狀態(tài)。然后，宇宙將（以某種方式）反彈回來(lái)，并在新的大爆炸階段重新點(diǎn)燃。 　　問(wèn)題在于，我們很難在火宇宙中復(fù)制宇宙早期圖像中的斑點(diǎn)和斑塊。當(dāng)我們?cè)噲D拼湊一些模糊的物理學(xué)觀點(diǎn)來(lái)解釋“擠壓—反彈—爆炸”的循環(huán)時(shí)（這里要強(qiáng)調(diào)“模糊”，因?yàn)橐阎奈锢韺W(xué)還無(wú)法理解過(guò)程中涉及的一些能量和尺度），所有的東西都過(guò)于平坦。沒(méi)有凸起，沒(méi)有擺動(dòng)，也沒(méi)有斑點(diǎn)，更沒(méi)有溫度、壓強(qiáng)和密度的差別。 　　這不僅僅意味著這些理論與早期宇宙的觀測(cè)結(jié)果不符，也意味著這些宇宙理論不能解釋一個(gè)充滿星系、恒星甚至人類的宇宙。 　　這有點(diǎn)令人失望。 　　早期的星系 　　今天，我們看到的宇宙是大爆炸發(fā)生138億年后的樣子。我們看到的大多數(shù)星系聚集在一起，形成星系群（如本星系群）和星系團(tuán)（如室女座星系團(tuán)），它們被所謂的“空洞”分隔開(kāi)來(lái)。這些星系群中既有螺旋星系，也有橢圓星系，其中類似銀河系的典型星系平均每年可以形成1顆像太陽(yáng)一樣的新恒星。 　　此外，宇宙中的常規(guī)物質(zhì)主要由氫和氦組成，但還有大約1%到2%的常規(guī)物質(zhì)由周期表中的重元素組成，使得像地球這樣的巖石行星得以形成，并產(chǎn)生復(fù)雜的，甚至有機(jī)的化學(xué)反應(yīng)。盡管星系之間有很多差別，比如一些星系十分活躍，恒星不斷形成；一些星系具有活躍的黑洞，而另一些卻幾十億年都沒(méi)有任何新的恒星形成，不一而足，但通常而言，我們所看到的星系都十分龐大，經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的演變而聚集在一起。 　　然而，如果我們向更遠(yuǎn)的宇宙望去，也就是回望更早的宇宙，就會(huì)看到宇宙是如何成長(zhǎng)成現(xiàn)在這樣的。在更遠(yuǎn)的宇宙中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)的規(guī)模稍微小一些，也稍微均勻一些，尤其是在更大的尺度上。我們會(huì)看到星系的質(zhì)量更低，演變特征也更少，螺旋星系更多，橢圓星系更少。平均而言，這些星系中藍(lán)色恒星的比例更大，其過(guò)往的恒星形成率也更高。盡管星系之間的空間變小，但早期星系群和星系團(tuán)的整體質(zhì)量也變小了。 　　在這幅宇宙的圖景中，今天的星系是由規(guī)模更小、質(zhì)量更低的星系在宇宙的時(shí)間尺度上合并而成的，并逐漸發(fā)展成為宇宙中最龐大的結(jié)構(gòu)之一。與如今的星系相比，早期宇宙中星系的特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面： 　　?規(guī)模較??； 　　?質(zhì)量較低； 　　?聚集得更加緊密； 　　?數(shù)量更多； 　　?呈現(xiàn)藍(lán)色； 　　?含有更多氣體； 　　?恒星形成速率較高； 　　?重元素的比例較少。 　　望向更早宇宙 　　但是，隨著我們看向越來(lái)越遠(yuǎn)的宇宙，走向越來(lái)越早的時(shí)間，這種逐漸變化的圖景就突然開(kāi)始急速轉(zhuǎn)變。當(dāng)我們看向目前距離我們約190億光年的地方時(shí)，對(duì)應(yīng)的便是大爆炸僅30億年之后的宇宙；我們會(huì)看到，宇宙的恒星形成速率達(dá)到了最大值，大約是今天新恒星形成速率的20到30倍。相當(dāng)一部分超大質(zhì)量黑洞這個(gè)時(shí)候都很活躍，由于周圍物質(zhì)的消耗，它們釋放出大量的粒子和輻射。 　　在過(guò)去的大約110億年里，宇宙的演化速度一直在減慢。當(dāng)然，引力繼續(xù)使宇宙結(jié)構(gòu)坍縮，但暗能量開(kāi)始與其對(duì)抗，并在60億年前主宰了宇宙的膨脹。新的恒星繼續(xù)形成，但恒星形成的高峰已經(jīng)是遙遠(yuǎn)的過(guò)去。超大質(zhì)量黑洞繼續(xù)增長(zhǎng)，但最“明亮”的時(shí)候早已過(guò)去。與早期相比，更多的黑洞如今已變得暗淡和不活躍。 　　當(dāng)我們離開(kāi)地球越來(lái)越遠(yuǎn)，越來(lái)越接近由大爆炸開(kāi)端所定義的“邊緣”時(shí)，會(huì)開(kāi)始看到更顯著的變化。190億光年的距離對(duì)應(yīng)于宇宙只有30億歲的時(shí)候，是恒星形成的高峰期，此時(shí)宇宙中可能有0.3%到0.5%的重元素。 　　當(dāng)我們靠近270億光年之外的距離時(shí)，對(duì)應(yīng)的宇宙年齡只有10億年。此時(shí)的恒星結(jié)構(gòu)要小得多，因?yàn)樾潞阈切纬傻乃俾蚀蠹s只有后來(lái)峰值時(shí)的四分之一。由重元素組成的常規(guī)物質(zhì)的比例急劇下降：在10億歲時(shí)降至0.1%，在5億歲左右時(shí)降至僅為0.01%。在這樣的早期環(huán)境中，巖石行星可能無(wú)法形成。 　　在這個(gè)距離上，不僅宇宙微波背景輻射會(huì)更強(qiáng)烈——應(yīng)該是紅外波段而不是微波波段——而且宇宙中的每個(gè)星系都應(yīng)該是年輕的，充滿了年輕的恒星；橢圓星系在如此早期的宇宙中可能還沒(méi)有出現(xiàn)。 　　想要看到比這更早期的宇宙，確實(shí)突破了人類現(xiàn)有儀器的極限，但是凱克望遠(yuǎn)鏡、斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡等已經(jīng)開(kāi)始將我們帶到那里。一旦到達(dá)大約290億光年或更遠(yuǎn)的距離——對(duì)應(yīng)的宇宙年齡為7億到8億年——我們就開(kāi)始進(jìn)入宇宙的第一個(gè)“邊緣”：透明的邊緣。 　　今天我們理所當(dāng)然地認(rèn)為，這個(gè)空間對(duì)可見(jiàn)光是透明的，但這只是因?yàn)槠渲袥](méi)有充滿阻擋光的物質(zhì)，比如塵?；蛑行詺怏w。但在早期，在足夠多的恒星形成之前，宇宙充滿了中性氣體，而且這些氣體未被恒星的紫外線輻射完全電離。結(jié)果，我們看到的很多光都被這些中性原子遮蔽了，只有當(dāng)足夠多的恒星形成后，宇宙才會(huì)完全電離。 　　這就是紅外望遠(yuǎn)鏡，比如美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）推出的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，對(duì)于研究早期宇宙至關(guān)重要的部分原因。借助這種望遠(yuǎn)鏡，我們就可以看到處于熟悉波長(zhǎng)的“邊緣”。 　　在310億光年的距離，相當(dāng)于大爆炸后的5.5億年，我們到達(dá)了所謂的再電離邊緣：在這里，宇宙的大部分對(duì)可見(jiàn)光幾乎是透明的。再電離是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，并不均勻；在很多方面，這就像一堵參差不齊、充滿孔洞的墻。一些地方的再電離發(fā)生較早，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡正是由此發(fā)現(xiàn)了迄今為止最遙遠(yuǎn)的星系——位于320億光年之外，僅僅在大爆炸之后的4.07億年。但其他地區(qū)仍然部分保持中性，直到近10億年過(guò)去后才完全電離。 　　宇宙會(huì)坍縮成奇點(diǎn)嗎？ 　　答案如果是肯定的話，宇宙或許會(huì)一直處于一個(gè)永無(wú)止境的大反彈循環(huán)中；在這個(gè)循環(huán)中，所有物質(zhì)都通過(guò)大爆炸，從一個(gè)奇點(diǎn)冒出來(lái)，接著是大擠壓，將所有的物質(zhì)再次吞沒(méi)，恢復(fù)到宇宙剛誕生時(shí)那個(gè)無(wú)比致密的狀態(tài)。宇宙不斷地重復(fù)大爆炸和大擠壓的過(guò)程。 　　然而，這些理論從未在數(shù)學(xué)上真正解決宇宙是否處于循環(huán)的問(wèn)題。換言之，宇宙也可能只有一個(gè)開(kāi)端和一個(gè)結(jié)局。不過(guò)最近，一組理論物理學(xué)家利用所謂的弦理論，試圖解決這些早期宇宙的基本謎題。他們的研究結(jié)果可能會(huì)推動(dòng)我們從零開(kāi)始構(gòu)建宇宙，從而為宇宙重復(fù)存在的理論提供支持。 　　如果你想建立自己的宇宙理論模型，請(qǐng)自由發(fā)揮你的想象力。沒(méi)有人能阻止你創(chuàng)造自己的宇宙觀。但是，如果你想進(jìn)一步了解宇宙的形成，就必須遵守一定的規(guī)則。這意味著，無(wú)論你的宇宙模型包含什么，你都必須面對(duì)一些冰冷的、難以觀察的證據(jù)。 　　例如，我們知道自己就生活在一個(gè)不斷膨脹的宇宙中，其中的星系和恒星正以越來(lái)越快的速度飛離地球。通過(guò)各種先進(jìn)的技術(shù)，科學(xué)家們可以計(jì)算與我們不同距離的星系移動(dòng)的速度。我們也已經(jīng)有了宇宙誕生初期——大爆炸后約38萬(wàn)年時(shí)——的圖像?，F(xiàn)在宇宙的年齡約為138億年，當(dāng)時(shí)的宇宙還處于“嬰兒”時(shí)期。 　　在這張宇宙誕生初期的圖片中，我們看到了一些有趣的模式。圖像中微小的斑點(diǎn)和斑塊，揭示了在年輕的宇宙中存在著輕微的溫度和壓力差異。 　　我們可以用大爆炸宇宙學(xué)，以及所謂的暴脹理論來(lái)解釋所有這些觀測(cè)結(jié)果?？茖W(xué)家認(rèn)為，暴脹過(guò)程發(fā)生在宇宙誕生不到一秒鐘的時(shí)候。在這一過(guò)程中（過(guò)程本身只持續(xù)了極短時(shí)間），宇宙突然間變得非常巨大，并使微小的量子漲落也放大到宇宙尺度。這些量子漲落會(huì)逐漸增大，因?yàn)槊芏壬愿叩陌邏K引力略強(qiáng)，使其變得更大。隨著時(shí)間的推移，這些量子漲落變得足夠大，以至于在宇宙的幼年圖像中以斑點(diǎn)的形式留下了印記（數(shù)十億年后，又出現(xiàn)了恒星和星系之類的東西，但那是另一回事了）。 　　S-膜拯救了一切 　　在過(guò)去幾年中，火宇宙理論的支持者試圖匹配暴脹理論所解釋的觀測(cè)結(jié)果。在最近的一次嘗試中，為了克服前述的障礙，使火宇宙理論至少在某種程度上得到尊重，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)使用的正是S膜（S-brane）。 　　你應(yīng)該聽(tīng)說(shuō)過(guò)弦理論，它是理論物理學(xué)的一支，結(jié)合了量子力學(xué)和廣義相對(duì)論。在弦理論的宇宙中，每個(gè)粒子都是微小的、振動(dòng)的弦。幾年前，理論物理學(xué)家們意識(shí)到，弦不一定是一維的。他們將多維的弦就稱為“膜”（brane）。 　　至于“S-膜”，弦理論中的大多數(shù)膜都可以在時(shí)空中自由地漫游，但是假想的S-膜只能在非常特殊的條件下瞬間存在。 　　在這個(gè)新的火宇宙理論場(chǎng)景中，當(dāng)宇宙在其最小、最密的狀態(tài)下，S-膜出現(xiàn)，使一個(gè)充滿物質(zhì)和輻射的宇宙再次擴(kuò)張（一場(chǎng)大爆炸），與此同時(shí)，溫度和壓力發(fā)生了微小變化（導(dǎo)致宇宙初期圖像中出現(xiàn)眾所周知的斑點(diǎn)）。這便是加拿大麥吉爾大學(xué)物理學(xué)系三位物理學(xué)家所提出的新觀點(diǎn)。他們的研究結(jié)果于7月發(fā)表在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上，還有待同行評(píng)審。 　　這個(gè)觀點(diǎn)正確嗎？目前還無(wú)法知曉。近年來(lái)，弦理論的基礎(chǔ)似乎顯得十分薄弱，因?yàn)樵诖笮蛷?qiáng)子對(duì)撞機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中一直未能找到任何關(guān)于超對(duì)稱理論的線索，而超對(duì)稱理論是弦理論的關(guān)鍵基礎(chǔ)。另一方面，S-膜的概念本身在弦理論界還存在爭(zhēng)議，因?yàn)檠芯空卟⒉淮_切地知道膜是否會(huì)被允許在一個(gè)時(shí)刻存在。 　　還有一個(gè)事實(shí)是，正如我們所知，宇宙不僅在膨脹，而且是在加速膨脹，沒(méi)有任何跡象表明它在短期內(nèi)會(huì)減速（更別說(shuō)坍縮了）。要弄清楚有什么因素會(huì)導(dǎo)致宇宙膨脹“剎車并掉頭”，目前看來(lái)還十分棘手。 　　盡管如此，火宇宙理論（和其他理論）的觀點(diǎn)還是值得探索的，因?yàn)橛钪娴淖畛鯐r(shí)刻為現(xiàn)代物理學(xué)提出了一些最令人困惑和最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。 　　觀測(cè)極限以外的邊緣 　　盡管如此，天文學(xué)家認(rèn)為，在我們現(xiàn)有儀器所能觀測(cè)到的極限之外，肯定還存在著其他恒星和星系。在目前所發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的星系中，都可以找到證據(jù)，表明前幾代恒星曾在其中活躍過(guò)，而且它們已經(jīng)相當(dāng)明亮和巨大。在目前望遠(yuǎn)鏡所能觀測(cè)到的極限之外，還可以測(cè)量恒星形成的間接標(biāo)志，包括氫原子本身發(fā)出的光。這一過(guò)程只發(fā)生在恒星形成期間，氫原子發(fā)生電離，自由電子與電離的原子核重組，然后釋放出光。 　　目前，我們只能通過(guò)這種早期恒星形成的間接特征，推測(cè)年輕的星系早在大爆炸后的1.8至2.6億年時(shí)就已存在。這些原始星系形成了足夠多的恒星，使我們能在數(shù)據(jù)中看到它們存在的最初跡象，對(duì)應(yīng)的距離是340億到360億光年之間。盡管目前的望遠(yuǎn)鏡還不能直接觀測(cè)到這些星系，但許多天文學(xué)家認(rèn)為，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡將會(huì)擔(dān)此重任。 　　當(dāng)然，仍然可能有光源——以及宇宙中最初的電離區(qū)域——可以追溯到更早的時(shí)期。如果我們能看到這么遠(yuǎn)的距離，那么最早的恒星應(yīng)該在380億到400億光年之間，相當(dāng)于大爆炸后5000萬(wàn)到1億年的時(shí)間。 　　在此之前，宇宙完全是黑暗的，充滿了中性原子，以及大爆炸的輻射余暉。 　　再往前追溯，還有一些其他的“邊界”值得關(guān)注。在440億光年之外，來(lái)自大爆炸的輻射非常炙熱，以至于肉眼就能看見(jiàn)；如果那里有一雙人類眼睛的話，就能看到輻射開(kāi)始發(fā)出紅光，類似于赤熱的表面。這對(duì)應(yīng)著大爆炸300萬(wàn)年后的一段時(shí)間。 　　如果到達(dá)454億光年以外，我們就會(huì)來(lái)到大爆炸38萬(wàn)年后的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)。此時(shí)的溫度極高，以至于無(wú)法穩(wěn)定地維持中性原子。這就是大爆炸余輝——宇宙微波背景（cosmic microwave background，簡(jiǎn)稱CMB）——的來(lái)源。普朗克衛(wèi)星拍攝的那張著名的熱點(diǎn)（紅色）和冷點(diǎn)（藍(lán)色）圖片，向我們揭示了這些輻射的來(lái)源。 　　在那之前，在460億光年之外，我們進(jìn)入了一切的最初階段：大爆炸的超高能量狀態(tài)。此時(shí)誕生了宇宙的第一批原子核、質(zhì)子和中子，甚至產(chǎn)生了第一批穩(wěn)定的物質(zhì)形式。在這一階段，一切物質(zhì)只能被描述為宇宙的“原始湯”，即存在的每一個(gè)粒子和反粒子都可以由純能量創(chuàng)造出來(lái)。 　　然而，在這種高能量的原始湯之外還有什么，仍然是一個(gè)謎。盡管許多關(guān)于宇宙膨脹的預(yù)言都被間接地證實(shí)了，但天文學(xué)家并沒(méi)有直接的證據(jù)表明在最早期的這些階段到底發(fā)生了什么。對(duì)人類而言，宇宙的邊緣是獨(dú)一無(wú)二的；我們可以看到138億年前在各個(gè)方向上的宇宙，這種情況取決于觀察者的時(shí)空位置。 　　宇宙具有許多邊緣，包括透明的邊緣、恒星和星系的邊緣、中性原子的邊緣，以及大爆炸時(shí)形成的宇宙視界的邊緣。我們可以用望遠(yuǎn)鏡觀察到盡可能遠(yuǎn)的地方，但總會(huì)有一個(gè)基本的極限。即使空間本身是無(wú)限的，但大爆炸之后的時(shí)間并不是無(wú)限的。不管未來(lái)能看到多遠(yuǎn)的宇宙，總會(huì)有一個(gè)我們永遠(yuǎn)看不到過(guò)去的“邊緣”。