永恆之旅：淺談人類宇宙觀與時空觀之發展

作者： @李雨珊 （我女朋友）

原回答：https://www.zhihu.com/question/264757072/answer/284968662

對未知的好奇，對真理的渴望，促我們踏上這永恆的追逐之旅。我們，在路上。——題記

盤古之蛋

Long long ago...

日出月落，斗轉星移。就這樣不知過了多久，一切都按照預定的模式不斷地運作著，似乎從未曾有過任何改變。

亦或許這一切實在太過單調而寂寞，後來，天地間出現了生命。再後來，一種自稱人類的生物在大地上挺起胸膛。從此，人來人往，生生不息。

「江畔何人初見月？」在某一個平凡的瞬間，偶然不經意的一瞥，眼眸中灑落下璀璨的星光，不論那是誰，都開啟了人類發展歷程中的新篇章。那還是在人類的孩童時代，世間的一切都顯得那麼神秘而偉大。「長河漸落曉星沉」，看天際那灣淺淺的星河，那是牛郎織女相望的銀河，亦是希臘神話里赫拉的乳汁，芬蘭神話里候鳥的小徑。後來，我們才慢慢懂得，原來那就是我們的星系，浩瀚宇宙之洋中我們唯一的港灣。它如此龐大，卻又如此渺小,令人景仰，而又惹人愛憐。

「上下四方曰宇，古往今來曰宙。」那時，我們仰望星空，有那麼多的美麗的夢。

有人說：「天圓地方，天動地靜。」這便是最古老的蓋天說：天在上，覆蓋如巨傘；地在下，延伸若棋盤。這是人類對天地最直觀的認識，簡單樸素而又富有詩意。

有人說：「天地本是一隻巨大的雞蛋，盤古從蛋中驚醒，巨斧一揮便創造了萬物。」盤古開天闢地的傳說後來便成了張衡的「渾天說」的雛形：天之於地猶如蛋殼之於蛋黃，日月星辰佈於天球之上，天球之外還有別的世界，宇宙之大，無窮無盡。

還有人說：「天空無限高遠才顯蒼色，一切都漂浮在無邊無際的虛空之中。」這便成為了「宣夜說」，雖不很主流，卻也更具有浪漫主義情懷，更加接近於老莊之道。空間無邊無際，時間無始無終，日月星辰獨立運動，各不相擾。從某種意義上來講，這竟也更加接近於我們現代的宇宙觀了。

與此同時，在地球的另一端，不一樣的民族有著不一樣的夢境。

無數燦爛的星座引出無數迷人的希臘神話，泰勒斯專註的仰望與深沉的哲思，畢達哥拉斯學派宇宙中心火焰的遐想、柏拉圖關於五種正多面體與當時已知六大行星之間距離的美妙對應的迷思，無不引人入勝。美麗的星空，永遠是人類不竭的思想源泉。

自然，我們觀察的中心始終是我們自己，在那時所有的宇宙圖景中，處於中心的，總是我們地球、我們人類。大自然令人敬畏的方面以神靈的模樣出現，讓我們得以稍稍平靜面臨未知的惶恐不安。

或許，我們真的只是生活在一個小小的果殼之中，卻仍自詡為無限空間之王。就像盤古躺在他的巨蛋之中，彼時，天地仍一片混沌，真正開天闢地的時刻，還遠遠沒有到來。

無限與永恆之夢

後來，我們才漸漸懂得，這一切並不是為我們而存在。見識了更廣闊的世界，才能發現自己的渺小，望向遠方的時候，我們終於不再狂妄。

首先發出真理的聲音的是哥白尼。雖然在今天看來，他的日心說並不準確，但這並不影響其成為一個劃時代的學說。經過不懈的努力，舊思想終於低下了頭，我們終於承認，我們不再是宇宙的中心，甚至，我們所處的位置不具有任何特殊性。這也成為了以後所有宇宙學說的基石——宇宙學原理。

為何宇宙從各個方向上看都是如此相像？我們真的不是處在這一切的中心嗎？我們的渺小，在廣闊的宇宙之中如此令人絕望。目力所及之處，仍然充滿了未知的迷霧。

然而，在這片土地上，仰望星空的人永遠不會絕跡，我們仍在極目遠眺，遠方的夢想，也仍在熠熠生輝。開普勒的行星三大定律打破了天體勻速圓周運動的完美設想，伽利略的望遠鏡揭開了遙遠星體的神秘面紗。接下來，便是牛頓萬有引力定律的橫空出世，至此，自然中的一切現於光明。

不僅我們不再重要，甚至宇宙也不再完美。在牛頓的眼裡，上帝提供了第一推動力之後就撒手不管，宇宙中的一切按照既定規律運作，像一個精確的鐘錶。牛頓的宇宙是絕對的，它仍然是靜態的，永恆不變的，然而它從此不再神秘，而是變得可以被理解。

空間上無邊無際，平滑延伸，時間上無始無終，均勻流逝，時間與空間互相獨立，不受任何其它物質影響，這便是我們藉以容身的宇宙大舞台。宇宙為何是這樣的？有人說，如果它不是這樣的，就不可能有我們這些愚蠢的人類在這裡發問，這就是人擇原理，我們用來安慰自己失落的虛榮心的一套新說辭，這是一個古老的說法，但是直到今天仍然被用來解釋那些不能解釋的巧合。

問題總是層出不窮，那是我們繼續探尋的不竭動力。為何天空不是在所有方向都是亮的？要知道，如果恆星自始至終存在，而且無限大的宇宙有無限多的恆星，那麼它們將充滿整個天空，而且它們的發出的光遲早會到達我們眼中。這就是所謂的奧伯斯佯謬。似乎，宇宙不是無限的，或者不是永恆的，兩者必居其一。抑或許，兩者兼而有之？在我們眼中，宇宙已不再完美神秘，難道這無限與永恆之夢，也將被打破？

其實，牛頓早已面對過這樣的詰問：「如果恆星互相吸引的話，為什麼它們不會很快地落到一個點上呢？」而他對此的回答只是：「因為無限的宇宙沒有一個中心點，而且無限顆恆星彼此之間的引力可以互相抵消。」於是，我們就這樣與一個動態的新宇宙圖景擦肩而過。

真理，還在等待一個更加智慧的頭腦。

宇宙常數之爭

時間晃晃悠悠地來到了1905年，瑞士專利局的那扇小窗前，我們得以窺一眼愛因斯坦的宇宙。

這是一個有限而無界的宇宙。如果你沿一個方向一直走下去，你遲早能回到原來的位置，就像在地球表面上一直運動一樣，你總能在繞地球一圈後回到原點。宇宙中的每一點都可以被認為是中心，但又不具有任何特殊性，這同樣可以與地球的二維表面類比。至此，我們明白了為什麼在我們看來宇宙各個方向都是大致相似的。這並不是因為我們處於什麼特殊的位置，在所有的位置上，我們都能看到同樣的現象。

在這裡，時間與空間都不再是絕對的，而是相對而言的；它們也不再是事件發生的背景，而是與物質有著密不可分的聯繫。引力被描述為時空的彎曲，物質的存在影響了四維時空的形狀，物體在四維時空中試圖沿直線運動，由於空間形狀的改變，其軌跡卻成了我們眼中的圓周。光速是不變的，同時，沒有什麼速度能超越光速，因為有質量的物質如果到達光速就意味著需要無窮大的能量，而那是不可能的。

相對論的提出徹底改變了我們始終習以為常的固有時空觀，它的意義太為深遠，直到現在，人類仍然沒有做好完全接受它的準備，這也許是因為相對論效應在我們的日常生活中實在太小太小，小到我們完全注意不到它的存在，更別提去理解它。但是，如今它已被許多實驗所證實，並已在實際應用中發揮了巨大的作用，。

然而，儘管相對論暗示著一個靜態的宇宙是不可能保持穩定的，但是愛因斯坦仍然對此堅信不移，為了保持宇宙的靜止，愛因斯坦在他的方程中加上了一個後來被他稱為「一生中最大的錯誤」的宇宙常數。但時至今天，對於他是否真的錯了，我們還是沒有一個明確的答案。也許真的存在一個宇宙常數，始終在與無所不在的引力抗衡著，使宇宙得以繼續膨脹下去。但是，它又不同於愛因斯坦的宇宙常數，因為它是有實際意義的，那就是暗能量。關於暗能量的研究，在今天仍然是一個激動人心的話題，也遠沒有得到一個定論。

當哈勃將目光投向茫茫宇宙時（當然嘍，是隔著厲害的大型望遠鏡），一切都不一樣了。我們知道了我們的銀河系是由無數恆星組成的，它也並不是唯一的星系，而我們的太陽系處於銀河系邊緣的一個旋臂上。最重要的是，哈勃發現所有的星系都在離我們而去，速度和其與我們的距離成正比，換句話說，星系離我們越遠，遠離我們的速度越快。宇宙不是靜止的！宇宙在膨脹！

既然宇宙在膨脹，那麼，在很久很久以前，宇宙一定比我們現在看到的小得多，這樣說來，宇宙是不是有一個起點？那麼，它是如何起始的？在那之前又有什麼？

「BANG！」

「梆！」就像盤古開天闢地的那一斧，伴著一聲巨響，我們的宇宙就這樣從一個小得不能再小、熱得不能再熱的奇點誕生了。自此，這個初生的宇宙便開始了迅速的膨脹，並在膨脹中迅速變冷。隨著時間的流逝，空間不斷變大，物質形式不斷演化，最終成為我們今天所看到的這副樣子。提起大爆炸理論，這便是我們大多數人腦海中的情景。

舊觀念的改變和新思想的深入人心總是需要時間的。當哈勃發現星系的紅移現象，證實了宇宙的膨脹，當愛因斯坦承認了宇宙常數的錯誤，科學界的穩態宇宙的主流觀點終於發生了動搖。伽莫夫的大爆炸理論的提出為我們帶來了期待已久的新宇宙圖景——一個動態的宇宙，一個不僅在膨脹，而且很可能還在加速膨脹的全新宇宙。自此，奧伯斯佯謬也有了一個新的解釋：我們之所以看到夜空是黑的，是因為宇宙在膨脹。

時間過去不多久，貝爾實驗室的彭齊亞斯和威爾遜無意中發現了宇宙微波背景輻射——現已冷卻到微波形式的宇宙極熱早期的輻射殘餘——為大爆炸理論提供了有力的佐證。但是，這一發現也引出了一個新的問題：宇宙微波背景輻射顯示，在各個方向的宇宙溫度竟然如此接近。為什麼宇宙如此均勻？星系大體均勻分布，時空如此平直，連溫度也是如此相近，在不超過光速的前提下，信息怎麼可能從宇宙的一個地方如此迅速地傳遞到相距極遠的另一個地方呢？

似乎一切都被恰到好處地選擇過，宇宙早期的量子起伏不大也不小，既能保證形成物質，進而形成物質的聚集體星體和星系，又保證了宇宙在整體上的物質的均勻性。難道真的有上帝在提供第一推動嗎？

然而，科學家不允許偶然因素的存在，他們總是希望能夠藉助一些理論推導出這個唯一的確定的結果。為了解決這些問題，古斯提出了暴脹模型。宇宙早期存在一個迅速膨脹的時期，宇宙的大小成指數增長，迅速的膨脹抹去了一切的不均勻性，使各個區域在溫度改變之前就到了極遠的地方，從而形成了這個我們今天看起來非常均勻的宇宙。

在數十年的不斷完善和普及之後，大爆炸理論已經深入人心，成為了一個宇宙學標準模型。但是，這一過程又與我們的日常經驗如此不同。爆炸的過程並不發生在特定的一個點，而是發生在空間各處，因為這最初的存在正是如今我們看到的整個時空。這一過程不是物質增加直到充盈整個空間，而是空間本身隨著時間的流逝不斷地增大。連「爆炸」這個詞本身，也並不確切。並且，在所謂的奇點之前，任何所謂的存在都是沒有意義的，甚至，包括我們想像中的那聲巨響，也並不是真實的。

大爆炸理論終於正式賦予了時間一個起點，人們不禁要問，時間是否也有一個終結呢？關於宇宙的未來，還有許多爭議，最終的結果將取決於對宇宙物質的平均密度的觀測。宇宙將會以怎樣的形式終結？大坍縮，大撕裂，還是無限制地膨脹以至於完全空虛？

God knows…

也許在不久的將來，我們終將有一個確定的答案，但至少不是現在。暗物質與暗能量的存在仍撲朔迷離，吸引著一顆顆好奇的心不斷地去探索。宇宙的極早期是什麼樣子？宇宙中許多的參數如各種力和粒子的性質為何會如此設定？我們仍然知之甚少。

宇宙之弦

對宇宙學的研究不可避免地要歸結到所謂的宇宙大爆炸奇點，但是，這一點的體積如此之小，密度如此之大，溫度如此之高，作用於微觀的量子力學和作用於宏觀的相對論都不能被忽略。而問題恰恰出在，作為二十世紀物理學並駕齊驅的兩大理論，它們之間卻存在著根本性的矛盾。許多物理學家都為這一矛盾傷透了腦筋。就在這時，一個嶄新的理論——弦理論——應運而生。

也許，我們眼中的一切——原子、質子、中子、電子、夸克——不過是一種表象。真實的存在其實是一根根不斷振動的弦，不同的振動模式決定了我們所觀察到的質量、電荷量以及其它的一些性質。於是，在我們現有的不精確的觀測條件下，這些微小的弦就被我們近似地當成了粒子。

弦理論為我們提供了一個前所未有的大統一的可能，所有的粒子、所有的力，都可能被收納在一個自洽的理論之中。這是一道耀眼的曙光，倏忽而至，閃耀在我們追求真理的道路上，或許，在不遠的將來，我們終將實現用一個理論解釋一切的夙願。最重要的是，弦理論為量子力學與相對論之間的矛盾提供了一個可能的解決辦法，也使得宇宙的極早期成為弦理論尤其是超弦理論大顯身手的絕佳舞台。

弦理論排除了點粒子的存在，也就防止了時空以一個無限小的點的形式存在的可能，這樣，宇宙的開端就不再是一個密度溫度無限大的奇點，而是有了一個極小的下限，那就是普朗克長度。高維是弦理論的一個重要的特徵，弦理論設想，在宇宙的開端，所有的維度都蜷縮在一個極小的尺度下，在普朗克時間之後，十一維時空中的三個空間維會經歷我們所熟知的暴脹，進而形成我們如今的宇宙空間。

這有點像嬰兒宇宙的理論——宇宙會在膨脹與收縮之間無限地循環，沒有一個開端，也沒有一個終結。也許，還會有許多平行宇宙，也許，宇宙的開端之前也有過一些什麼，也許，每一個黑洞里都是一個宇宙。太多的也許，聽起來已經過於玄幻。

更加玄幻的是，在弦理論中，時空是由許許多多的弦編織而成的，而那種方式已經超出了我們語言所能描述的範圍，就算是想像，也是太過困難，因為我們所有的想像都是建立在時空的基礎上，而我們所要想像的，卻恰恰是時空本身。

弦理論作為一個正在成長的理論具有蓬勃的生命力，而且也確實為許多困擾我們已久的問題提供了可行的解決辦法。不過，我們還不能高興得太早。儘管經過兩次革命，弦理論已經獲得了長足的發展，但是，如今它仍然停留在理論層面上，由於所需要的能量太高，它還未能被任何觀測所證實。

弦理論是否會是我們所期待的終極理論？讓我們拭目以待。或許，答案就將由我們來揭曉。

寫在最後

據說，曾有一位著名科學家在作天文學演講時，被一位老婦人打斷：「你說的是一派胡言。實際上，世界是馱在一隻巨大烏龜背上的平板。」聽到這裡，他微笑著反問道：「那麼這隻烏龜是站在什麼上面的呢？」「你很聰明，年輕人，你的確很聰明，」老婦人說，「不過，這是一隻馱著一隻，一直馱下去的烏龜塔啊！」

這種把宇宙比作無限烏龜塔的說法固然荒謬，但是我們又怎麼能肯定，我們現在的觀點不是像它一樣荒謬呢？宇宙真的像我們所想的那樣嗎？

也許，獲得的知識越多，我們就會發覺自己知道的越少。當我們仰望星空的時候，我們總是覺得自己是那樣渺小。

在未來的路上我們還能走多遠？我們是否在接近一切的終點？我們的認知是否會有一個極限？一切會不會以我們發現終極理論而告終？還是我們終究會發現，我們的面前是一系列越來越基本的理論，卻永遠沒有一個盡頭？一切的答案，離我們還有多遠？

我不知道永遠有多遠，我只知道我們現在還遠遠沒有走到旅程的盡頭。而且，人類的天性決定我們永遠不會停止前進，直到永遠的終點，或者，直到我們自身的毀滅。

我衷心希望，這是一個沒有盡頭的故事，這旅程太美，怎能輕易終結？無論終點在何方，這沿途的美景，足以一饗那無數仰望星空並為之深深陶醉的人類夢想家。

未完待續……

P.S.我之前也寫過一些關於宇宙觀的回答或文章，但感覺寫的都不是很好。這篇文章是我女朋友在大一時期寫的文章，平心而論我大一的時候達不到這種水平，無論是學識抑或文筆（畢竟高中的時候語文老師給我們發的作文範文都是我女朋友的）。

P.P.S真的不是在秀恩愛。