第2章
从大爆炸到现在

我喜欢关于时间旅行的故事。我们很容易对时间机器的物理学原理展开争论，或者对出现的各种悖论产生疑问。但这种想法很吸引人：我们也许能够找到一种技巧，为我们打开通往过去和未来的门户，供我们去了解和干预，让我们离开这辆无法控制、不可阻挡地驶向某个未知命运的“现在”列车。线性时间似乎很有局限性，甚至是浪费——为什么所有的时间，所有的可能性，仅仅因为表针“咔嗒”响着朝前跳了几度，对我们来说便一去不复返了？我们可能已经习惯了严格的时间压迫，但这并不意味着我们必须喜欢它。

幸运的是，宇宙学可以提供帮助。当然，不是任何现实意义上的帮助，我们谈论的仍然是一个相对深奥的物理学分支，它不可能让你拿回你昨天忘在列车上的雨伞。相反，在这方面你的生活还是老样子，但有关存在的其他一切都永远地改变了。

对宇宙学家来说，过去并不是什么遥不可及的迷失领域。它是一个真实存在的地方，是宇宙中一个可观测的区域，而且是消耗了我们工作日的大部分时间的地方。我们可以安静地坐在办公桌前，观看数百万年甚至数十亿年前发生的天文事件的进展。而这个把戏并不是宇宙学的特别之处，而是我们所处的宇宙结构的固有性质使然。

一切都归结于一个事实，即光的传播需要时间。光速很快，大约每秒3亿米，但终归不是无限快的。在日常生活中，当你打开手电筒时，它发出的光每纳秒前进大约1英尺（0.3048米），并且你所照亮的东西反射的光也需要同样长的时间才能回到你身边。事实上，当你看任何东西时，你看到的图像也就是从它那里出发并到达你眼中的光，到你这里时已经有点陈旧了。从你的角度来看，坐在咖啡厅另一侧的那个人存在于几纳秒之前，这也许可以部分地解释他怅然怀恋的表情和过时的时尚感。就你而言，你看到的一切都已成为过去。如果你抬头看月亮，你看到的是1秒多之前的月亮。而看到的太阳是约8分钟之前的太阳（图1）。你在夜空中看到的星星都处于遥远的过去，也许是几年前，也许是成千上万年前。

图1　光的旅行时间。我们有时会用光秒、光分和光年来表示距离，因为这样可以清楚地知道光经过了多久到达我们这里，从而也就了解了我们看到的是多久之前的过去（图中的尺度全都不是按比例绘制的）。

这种光速延迟的概念对你来说可能已经很熟悉了，但它有着重大的意义。它意味着，作为天文学家，我们可以仰望天空，观察宇宙从最初到今天的演变。我们在天文学中使用“光年”这个单位，不仅仅是因为它巨大（相当于约9.5万亿千米，或者5.9万亿英里）、便利，还因为它能告诉我们，光从我们正在看的物体出发已经走了多长时间。从我们的角度来看，一颗10光年外的恒星处于10年前，一个100亿光年外的星系则是在100亿年前。由于宇宙只有大约138亿年的历史，那么100亿光年外的星系可以让我们了解宇宙年轻时的状况。从这个角度来说，遥望宇宙就相当于回顾我们自己的过去。

此处有一项重要说明，若我不提一句的话，就得算我的疏忽之失。严格来讲，我们根本无法看到自己的过去。光速延迟意味着一个物体离我们越远，它就处于越久远的过去，这种关系是严格的：我们不仅不能看到自己的过去，也不能看到那些遥远星系的现在。物体越远，它在宇宙的时间线上就离我们越远。

那么，如果只能看到其他星系的过去，看到很久以前和很远以外，我们又怎么能够了解自己的过去呢？这要归结于一个对宇宙学而言非常重要的原则，而它的名字就是很直白的“宇宙学原理”。简单地说，它是这样一种观点：从任何现实的角度来看，宇宙中的各处基本上都是一样的。显然，在人类的认知尺度上这不成立——地球表面与深空或太阳中心有相当明显的不同，但是在那种天文级别的大尺度上，整个星系可以被看作无趣的单一斑点，那么宇宙在每个方向看起来就都一样了，而且构成它的成分也都一样[12]。这个想法与哥白尼原则有着密切的联系。哥白尼原则是尼古拉·哥白尼在16世纪提出的一个想法，即我们在宇宙中并不占据一个“特殊的位置”，而只是处于某个可能是随机选择的一般位置。这在当时可谓异端。因此，当我们看着10亿光年外的星系，看到它在10亿年前的样子，在一个比此处和此时的宇宙年轻10亿岁的宇宙中，我们可以非常有信心地表示，我们所在的此处在10亿年前的情况与我们看到的情况相当类似。事实上，这在一定程度上可以通过观察来检验。对整个宇宙中的星系分布的研究发现，宇宙学原理所暗示的均匀性在我们所看到的所有地方都是成立的。

这一切的结论便是，如果我们想了解宇宙本身的演变，以及自己所处的银河系的形成条件，我们就要观察遥远的事物。

这也意味着，宇宙学对“现在”并没有一个定义明确的概念。或者说，你所经历的“现在”仅仅对你个人有意义，由你所处的位置和你所做的事情决定[13]。如果我们现在看到了恒星爆炸而发出的光，那道光已经传播了数百万年，那么说“那颗超新星此刻正在爆炸”有什么意义？我们正在看的东西可以说完全发生在过去，我们无法观察到那颗爆炸恒星的“现在”，而且在几百万年内也不会收到关于它的任何信息，这使得它对我们来说不是“现在”，而是未来。

当我们认为宇宙存在于时空（一种无处不在、包罗万物的网格，其中空间具有三条轴，时间是第四条轴）之中时，我们可以把过去和未来看作同一构造上的遥远的点，从宇宙的起点延伸到它的终点（图2）。对于位于这个构造上不同点的人，对我们来说属于未来的事件，对他们来说可能是遥远的过去。而来自一件我们几千年内都看不到的事的光（或者任何信息），“现在”正在穿过时空奔向我们。该事件是在未来，还是在过去，或者，也许两者都是？这一切都取决于视角。

图2　光在时空中移动的示意图。在这张图中，时间沿着上下的方向前进。我们只展现空间的两个维度，而不是全部三个维度。四个在空间中静止的物体的位置由垂直虚线表示，标志着它们并未随着时间的推移而改变位置。“光锥”是我们从观测站可以看到的过去的区域，它包含了所有离我们足够近（光线发出后有时间到达我们身边）的事物。我们可以看到10亿光年外的星系在10亿年前的样子，但我们不能看到它“现在”的样子，因为这个星系的“现在”版本在我们的光锥之外。

如果你习惯于在三维世界中思考问题，那么非无限的光速会令你费解[14]。然而，对天文学家来说，非无限的光速是一个非常有用的工具。这意味着我们不必寻找宇宙遥远过去的线索——它的痕迹和残余物，而是可以直接观察它及它随时间的变化。我们可以窥视只有30亿岁的宇宙，那是恒星形成的“文艺复兴”时期，星系正在迸发出光（不是艺术和哲学），我们可以观察这种光在之后的岁月里是如何变暗的。我们还可以看得更远，看到在一个不到5亿岁的宇宙中，物质旋转着进入超大质量黑洞，而星光才刚刚开始穿透星系之间的黑暗。

很快，借助新的太空望远镜，我们将能够观察到宇宙中最早形成的一些星系——那些在宇宙只有几百万岁时形成的星系。但是，如果那些星系是最早的，那么我们看向更远处，又会看到什么？我们能不能看到还没有星系产生的更远处呢？我们有这方面的计划。现在正在建造的射电望远镜，利用光和氢之间偶然的相互作用，有可能看得到诞生第一批星系的物质。通过直接观察氢，即有一天会成为恒星和星系的物质，我们可以看到宇宙中最初的结构形态。

但是如果我们看得更远呢？如果我们回溯到恒星、星系、氢之前的时间呢？我们能看到大爆炸本身吗？

是的。我们可以。