起源，归宿，多重宇宙以及一切｜内有福利
抬头仰望星空时，你可能不会想到，我们现在看到的景象，是经过了137亿年的演化才变成这个样子。在这137亿年里，那些点点繁星曾经历了怎样的生死轮回？十亿、百亿，甚至万亿年后，宇宙又会是什么样子呢？
宇宙的起源与归宿
在大约一百多亿年前的某个时刻，我们现在能观测到的所有物质和能量都聚集在一个比硬币还小的区域里，随后，它开始以一种不可思议的速度膨胀并冷却。当温度下降到1亿倍太阳核心温度时，自然界的那些基本作用力开始出现，基本粒子夸克则自由地徜徉在能量海洋里。接着，宇宙又膨胀了1 000倍，我们眼下能观测到的所有物质占据的空间膨胀到了太阳系那么大。
那时，自由夸克开始被束缚在中子和质子里。当宇宙又膨胀1 000倍后，质子与中子开始聚在一起组成原子核，今天的氦原子和氘原子大部分就是那时形成的。以上所有过程都发生在大爆炸后的一分钟内，此时温度仍然太高，原子核还不能捕获电子。
直到宇宙持续膨胀了30万年后，中性的原子才开始大量出现，这时宇宙尺寸达到了现在的千分之一。此后，中性原子开始凝结成气体云，这些云团随后演化成恒星。在宇宙膨胀到现在尺寸的五分之一时，恒星聚在一起，形成了年轻的星系。
当宇宙尺度达到现在的一半时，恒星里的核反应产生了大多数重元素，类似地球的行星就是由这些元素构成的。我们的太阳系相对比较年轻：形成于50亿年前，那时宇宙尺度是现在的三分之二。
随着时间流逝，恒星的形成过程会耗尽星系中的气体，因此恒星数目正逐渐减少。再过150亿年，像太阳这样的恒星会更稀少，对天空观测者来说，那时的宇宙将远不如现在这般热闹。
对宇宙起源与演化的认识，是20世纪最伟大的科学成就之一。这些知识来自于数十年不断革新的实验与理论。地面上和太空中的最新望远镜接收着数十亿光年以外的星系发出的光线，向我们展示宇宙年轻时的模样。粒子加速器探索着早期宇宙高能环境下的基本物理现象。卫星探测着宇宙膨胀早期遗留下来的背景辐射，展现出我们所能观测到的最大尺度上的宇宙图景。
标准宇宙模型（也称大爆炸理论）对这些海量数据的解释最为成功。这个理论主张说，宇宙从初期的致密态开始膨胀，膨胀在大尺度上近乎均匀。目前该理论没有遇到根本性的挑战，当然，它也存在一些有待解决的问题。比如，天文学家还不能肯定星系是如何形成的，但是也没有证据能否认该过程是在大爆炸框架内发生的。实际上到目前为止，从这个理论引申出的各种预言通过了所有的测试。
但是，大爆炸理论目前也只做到这种程度，还有许多重要的谜题有待揭开。宇宙在膨胀之前是什么样子的？（我们不能通过天文观测，回溯到大爆炸之前的时刻。）在遥远的未来，当最后一颗恒星耗尽了核燃料后会发生什么？没有人知道答案。
爱因斯坦创立的广义相对论确立了质量、能量、空间和时间的关系，现已被很好地验证并接受。爱因斯坦指出，物质在空间均匀分布与他的理论非常吻合。他未经讨论便假定，在大尺度上平均来说宇宙是静态不变的。
在1922年，俄国理论家亚历山大·A·弗里德曼（Alexander A. Friedmann）意识到爱因斯坦的宇宙是不稳定的，最轻微的扰动也会引起宇宙膨胀或收缩。同时洛厄尔天文台（Lowell Observatory）的维斯托·M·斯莱弗（Vesto M. Slipher）发现了星系正在相互远离的首个证据。随后，杰出的天文学家埃德温·哈勃在1929年又证明了星系远离我们的速度与它离我们的距离大致成正比。
宇宙膨胀意味着，宇宙从一团高度致密的物质演化为今天彼此相距遥远的星系。英国宇宙学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）是第一个给上述过程取名“大爆炸”（the big bang）的人，他的本意是想讽刺这个理论，但这个名字实在太生动了，便就此流传开来。不过这个名字将宇宙膨胀描绘得好像是空间中一点上的某个物质发生了某种爆炸，多少有些误导人。
其实完全不是那么回事：在爱因斯坦的宇宙中，空间与物质的分布是紧密联系的，观测到的星系系统的膨胀反映的是空间本身的展开。大爆炸理论的要点在于空间的平均密度随宇宙膨胀下降，而物质分布并没有可见的边缘。
对普通爆炸来说，运动得最快的粒子飞向空的空间；而对大爆炸理论来说，粒子则是均匀地充满空间。宇宙膨胀对被引力束缚的星系或星系团的大小没什么影响，只是使它们之间的空间伸展了而已。在这种意义上，宇宙膨胀很像是葡萄干面包发酵。生面团类似空间，而葡萄干就像星系团。当面团膨胀时，葡萄干彼此远离，任意两颗葡萄干相互分离的速度完全取决于它们之间的面团有多少。
60年来，我们已经积累了许多支持宇宙膨胀的证据。第一个重要证据是红移——星系会发射或吸收某些特定波长的光，如果星系在远离我们，这些发射或吸收特征线将被拉长，也就是说退行速度越大，特征线就会变得越红。
在宇宙的年龄只有现在的五分之三时，星系团是宇宙代表性的景观。哈勃望远镜已经在轨道上运行了22年，通过它的持续观测，我们得到了星系团的影像。有些星系看上去互相处在对方的引力场里。这样的相互作用在离我们较近的星系团中相当少见，说明宇宙确实在演化
多重宇宙存在吗？
多重宇宙，这听上去像是一个科幻概念，但是深入思考这个问题，会给我们带来全新的格局和眼界。对宇宙学家而言，研究多重宇宙并不仅仅是为了猜测平行世界里某一历史事件是否有第二种结局，而是为了展开更为辽阔的想象，去描绘物理学基础发生改变之后的神秘图景，也希望有一天人类可以回答这个千百年来萦绕心头的问题：宇宙之外，究竟是什么呢？
过去十年里，有一个不寻常的声音让宇宙学家着迷：我们能看到的这个膨胀着的宇宙不是唯一的，还存在着数十亿个别样的宇宙。不是一个宇宙，而是多重宇宙。
顶级科学家正在谈论一场超越哥白尼“日心说”的革命。从这个角度来说，不仅地球只不过是众多行星中的一员，就连我们的宇宙在大尺度上也无足轻重。它只不过是各自为营的无数宇宙中的一个。
“多重宇宙”（Multiverse）这个词具有不同的含义。天文学家可以看到大约 420 亿光年远的地方，那里是我们目前能看到的最远地方（即可见视界）。
但我们没有理由认为宇宙会在那里终止。在它之外可能存在许多极为相似的宇宙（甚至无穷多个），每一个都具有不同的初始物质分布，但都由相同的物理定律操控。
多重宇宙观点的支持者主要是亚历山大·维兰金（Alexander Vilenkin）。他描绘了一幅生动的画面：
在无穷多个宇宙中有无穷多个星系，无穷多颗行星，以及无穷多个和你同名的人在看这篇文章。
在宇宙学家看来，宇宙像一块“错综复杂的挂毯”。这块挂毯是从大爆炸后最初那一微秒决定的初始条件演化成的。我们观察到的复杂结构和现象，也都是从简单的物理定律发展的。如果没有这些简单的基本定律，我们也不会存在。然而，简单的定律并不一定会发展出复杂的结果。比如在数学的分形领域中，就有一个典型的例子：芒德布罗集（Mandelbrot Set），一种由简单算法编码的无穷深结构，但其他表面上与之类似的算法却只能产生非常单调的图样。
如果当时我们的宇宙没有以某种特殊的速率膨胀，它可能不会形成我们现在能看到的复杂结构。如果在宇宙大爆炸时，产生的原初密度扰动比现在更小，我们的宇宙会一直保持黑暗并且单调，不会产生星系，也没有发光的恒星。除此之外，要形成具有复杂结构的宇宙，还需要其他条件。
如果我们的宇宙不止有三个空间维度，行星就不会围绕恒星的轨道稳定地运动。如果引力作用更强，可能会压垮各种生物（包括人类）；同时恒星会更小，寿命也会更短。如果原子核间的作用力比现在小几个百分点，那么可能只有氢原子会稳定存在，我们铺满整个页面的元素周期表也会消失不见。没有丰富的化学元素，也就意味着不会出现生命。从另一个角度来讲，如果原子核间的力更强一些，氢原子本身也可能会消失不见。
我们的宇宙调节得是如此精细，如同有某种神秘的力量在操控一样。一些科学家认为，这种巧合并不是巧合，因为如果没有这种巧合，我们人类也就不会出现。（以上说法就是广为人知的人择原理）。
然而，也存在其他的解释，宇宙并不是唯一的，在更大的空间尺度上，可能存在着许许多多的宇宙。其中只要所有参数都适宜，就会出现像我们一样的智慧生命。未来我们或许会发现，我们所处的宇宙，只是诸多宇宙中的一个。因此，从表面上看，我们的宇宙似乎被精细地调节过，但实质上，这可能只是一种一点也不意外的巧合。或许，连我们宇宙的大爆炸也不是唯一的。这种猜测以戏剧性的方式扩大了我们眼中的现实这个概念。
我们宇宙的整段历史不过是一出大戏上的一段插曲，属于无穷多宇宙中的其中一个。在无穷多的宇宙中，有些宇宙可能与我们相似，但更多的宇宙可能会面临“一出生便夭折”的命运。它们将会在短暂的出现后迅速塌缩，或者统御那个宇宙的基本定律并不允许产生复杂的“结果”。
一些宇宙学家，比如斯坦福大学的安德烈·林德与塔夫茨大学的亚历山大·维连金已经向人们展示了如何根据某些数学上的假设，在理论上导出多重宇宙。但是，在我们真正理解——而不是猜测——大爆炸之初极端状态下的物理定律之前，多宇宙理论依然处于可疑的边缘地带。
我们一直期待的统一理论会出现吗？它能决定各种基本粒子的质量和各种基本力的强度吗？或者从某种程度上来说，不同物理性质只是我们的宇宙在冷却时产生的意外结果？又或者说，如果多重宇宙真实存在，是不是存在更深层次的统御所有宇宙的定律？
这些话题可能显得有些神秘，但是，在有关宇宙学的争论中，多重宇宙思想已经影响到我们对各方观点的看法了。一些理论学家倾向于认为宇宙是 极致简单的，这需要 Ω 等于 1（这意味着宇宙拥有刚好使其自身膨胀停止的物质密度）。
他们对实际观察到的宇宙感到不开心，因为宇宙没有那么致密，需要添加额外的复杂性（如宇宙学常数）。或许我们可以从 17 世纪天文学家开普勒与伽利略的故事中学到一些东西。在发现行星的轨道是椭圆形时，他们也感到难过，因为他们原本认为行星的轨道应当是更简单、更美丽的圆形。之后，牛顿却用简洁的万有引力公式，成功解释了各种类型的行星轨道。
如果伽利略在世的话，他一定会欣然接受椭圆轨道的。同样，假如包含宇宙学常数的低密度宇宙看起来很丑陋，这或许是因为我们的视野有限。就好像地球围绕太阳运行的轨道只是少数具有孕育生命条件的轨道之一。而我们的宇宙也很可能只是数目巨大的宇宙集合中，少数可以孕育生命的成员之一。
未来，科研人员会专注于敲定宇宙学中各个基本常数的值，比如密度常量 Ω 等，同时也会深入研究暗物质究竟是什么。也许宇宙的一切都能纳入标准理论的框架，我们不仅能敲定宇宙中普通原子与暗物质的含量，还能敲定宇宙学常数与宇宙原初密度扰动。如果这些都能在未来实现，我们就会像历史上的科学家逐渐认识太阳与地球的尺寸和形状一样，逐步认识我们所处的宇宙。
从另一个角度来讲，我们宇宙也可能实际上太过复杂，以致不能纳入现有标准理论的框架。有的科学家可能会认为前一种可能性更为理想；而另一些科学家则更愿意居住在一个复杂且极具挑战性的宇宙中。
不仅如此，理论物理学家还需要阐明宇宙最初阶段的极端物理定律。如果能够成功，我们就能知道是否存在多重宇宙，以及我们所处的宇宙表现出的某些独有属性究竟是纯粹的巧合，还是更深层次定律的必然结果。
现在，我们的认识仍然存在很多局限，不过，物理学家也许有朝一日会发现一个支配自然界一切事物的统一理论，但他们可能永远无法告诉我们，究竟是什么创造了这些理论，又是什么让这些理论具现化为现实宇宙的。
宇宙学不仅仅是基础科学，它同时也是最宏大的环境科学。在过去的 100 亿 ~150 亿年间，一团炽热的火球，是如何演化成现在这个具有星系、恒星与行星的复杂宇宙的？我们所居住的地球（或许还有其他行星），是如何把原子组装成能够反思自身起源的智慧生命的？这些问题是新千年的挑战，回答这些问题的过程，或许永无止境。
我们的征途是星辰大海
当人类第一次把目光投向天空时，就想知道在浩瀚无垠的天空中，那些闪闪发光的星星是怎样产生的。
这是一个让人兴奋的时代，我们有更多的机会去了解我们身处的宇宙从哪里来，到哪里去。宇宙是如何开始的？是大爆炸吗？如果宇宙大爆炸不曾发生会怎么样？宇宙有边界吗？尽头在哪里？生命的最终结局会是什么？
从《星际迷航2009》到《回到未来2》再到《复仇者联盟4》，这些科幻电影中匪夷所思又令人着迷的宇宙观是否真的存在？ 爱因斯坦在量子力学时代不相信不确定性原理，他说：“上帝不掷骰子”。 玻尔告诉他：“你不能告诉上帝应该怎么做”。 霍金说：“上帝不仅掷骰子,他有时候还会把骰子掷到我们看不到的地方去。” 宇宙也许是有无限可能性的，我们的宇宙说不定只是所有可能中的一个。那么，宇宙之外会是什么？
*上文对宇宙的一切严谨权威的解释均来自机械工业出版社出版的由环球科学杂志社荣誉出品的重磅科普新书 。
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