地球位於宇宙的什麽位置?如果你在五百年前問學者這個問題,他們肯定已經有現成的答案。它就在宇宙的中心。太陽、月亮、行星和恒星都圍繞地球轉動。自從古希臘、古埃及和古巴比倫人最初開始研究天文學以來,超過兩千年裏,這一直是人們接受的信念。
但是若詢問今天的天文學家同樣的問題,答案就不再如此簡單了。他們肯定會告訴你,我們並不是宇宙的中心(他們確信這一點)。事實上,原先的這個想法已經顯得太過幼稚—它是時代的產物,在那時人們對宇宙沒有那麽多了解,因而認為人類在宇宙中占據一個優越的位置。
如果你要求得到更具體的答案,天文學家可能會告訴你,相對於周圍其他天體地球的位置。他們會說,地球是太陽係從太陽數第三顆行星,而太陽係是銀河係的一部分,銀河係與仙女座星係相鄰。兩者都是拉尼亞凱亞超星係團的一部分,而拉尼亞凱亞超星係團是約十萬個星係的家園。
如果你繼續追問:地球在宇宙中的絕對位置,我們是靠近它的頂部還是底部?或許靠近它南部的邊緣?這時情況就變得更複雜了。天文學家會解釋說事實上並沒有所謂的絕對位置,因為宇宙並不具有整體形狀或者結構供我們定位。在宇宙尺度上,並沒有龐大的特征,諸如邊界或者中心,可供我們推導出自己的位置。
但如果宇宙真的存在總體上的結構,能為我們提供某種方位呢?而且若我們相對於這種結構確定了自己的位置,發現地球恰巧在其中心呢?這就是南非宇宙學家喬治·埃利斯在一篇文章中提出的奇怪主張,文章於1978年發表在《廣義相對論與引力》期刊上。
埃利斯並不是什麽怪人。如果他曾有這等名聲,批評家會將他的想法和那些“平坦地球”理論家的誇誇其談,以及其他極端分子的胡說八道一起擱置不理。但正相反,當時他已通過與斯蒂芬·霍金[29]合著《時空的大尺度結構》一書,而成了世界上最著名的宇宙學家之一。這本出版於1973年的書被認為是“宇宙學最經典的文本之一”。
同樣,埃利斯也並非那種會宣稱地球位於太陽係中心的怪咖。那麽想可就太過瘋狂了。相反,他關注地球在整個宇宙中的位置—我們位於全宇宙何處的全貌。這倒也並沒有讓他的主張更合宇宙學家的心意。
埃利斯的主張相對而言較為直接。他提出觀測數據已引導天文學家得出結論,宇宙沒有整體的結構也沒有中心。但他主張,同樣是這些數據,有可能被用來生成一個全宇宙的模型,一個有中心的宇宙,而地球就位於這個中心。所以,如果同樣的數據可以生成兩個但同等有效的模型,那麽選擇采用哪一個,應當被看作哲學偏好的問題,而非科學必然的問題。
那麽,又是怎樣的觀測令天文學家認定宇宙沒有中心呢?最重要的一個,就是愛德文·哈勃做出的“宇宙正在膨脹”的發現。20世紀20年代,美國加利福尼亞州威爾遜山天文台新安裝了一台強大的天文望遠鏡,使他得以辨識夜空中模糊的星雲,這些長久以來一直令天文學家感到困惑的星雲,實際上是遙遠的星係,而在更仔細的觀測之後,他意識到所有方向上的幾乎所有這些星係,都在以極高的速度遠離我們。
此觀測的一種簡單化的解釋是:銀河係位於宇宙的中心,其他的所有星係正在某種強大的力的作用下遠離銀河係。但是,為什麽這種力作用於所有其他星係,卻不影響銀河係呢?這不合理。天文學家並沒有這麽想,而是代之以認定,星係的退卻肯定意味著,宇宙萬物都在膨脹並遠離彼此。正是這個結論從宇宙中去掉了所謂的中心。
人們經常用橡膠氣球的類比來描述這一概念。該類比要求我們想象氣球上貼上了一些畫有小圓點的紙片,而氣球的表麵在充氣過程中擴張開來,使所有小圓點遠離彼此。氣球變得越大,圓點之間相距的空間就越大。假設你是一個顯微鏡才看得到的小人,站在其中一個圓點上,你向外看去,會看到所有圓點都遠離你而去。這有可能使你認為你的圓點占據氣球表麵中心的位置,但這個解釋是錯誤的,因為氣球的表麵沒有中心(假設氣球沒有進氣口),所以從任何一個圓點看去景象都是一樣的。不管你站在哪個圓點,總會看到其他的點離你遠去。
天文學家的解釋是:膨脹的宇宙也沒有中心。當我們看向宇宙時,我們會看到各個星係在各個方向上離我們遠去。但是,不管我們處於宇宙哪個位置,我們都會看到同樣的現象,因為萬物都在膨脹並遠離彼此。
氣球的類比可能有誤導性,因為氣球有內部和外部之分,而宇宙卻沒有。但是,如果你能想象一個缺少這些空間特性,又在每個點上都在膨脹的氣球,那麽你想到的就是20世紀30年代開始,直至今日仍被科學家廣泛接受的宇宙模型了。
埃利斯提出的替代充氣氣球宇宙的是一個雞蛋形狀的宇宙模型(雖然他並不這樣稱呼它),他給它命名為“靜態球對稱”宇宙。但從本質上說,它是一個正立的雞蛋形宇宙。
這個雞蛋的兩個尖端各代表一個中心—或者說,是一個中心和一個反中心。在雞蛋的頂端,有一個靜冷、相對空曠的太空區域,底部有一個**的奇點,一個有著超致密高引力物質的區域,就像黑洞的中心那樣,但這裏並沒有事件視界。在頂部和底部之間,飄浮著眾多星係,在靠近頂端一側分布得更稀疏一些,而越接近底部的奇點密度就越大。
這是對埃利斯的模型的一個簡要概括,實際上模型在理論上要複雜得多。用更接近他本人描述的方式來說,他想象的是一個宇宙,中心的星係高度密集,而邊緣附近星係分布很稀疏。位於中心的人會看到星係受到該區域高強度引力的牽拉,向內墜入,但埃利斯隨後運用了愛因斯坦的相對論,想象空間以某種方式向自身彎曲,以至於在低密度邊緣創造出了另一個中心(或“反中心”)。在他的示意圖中,其結果就是形成了一個雞蛋形的宇宙,而我們出於大致了解的目的,有這樣的想象也就足夠了。關鍵是,生活在雞蛋頂端(反中心)的任何人,會看到各個方向上的星係都快速遠去,向著底部的高引力中心下落。
埃利斯的雞蛋形宇宙既沒有膨脹也沒有收縮。它沒有時間上的起點,也不會有終點。它一向以同樣的形式存在,未來也一向如此,因為底部的奇點起到一種宇宙回收中心的作用,消耗掉燃盡的星係衰老的物質,並重新將它們以高溫、新生的氫的形式噴出來,這些氫最終會形成新的星係。
埃利斯將我們星係的位置定在了雞蛋宇宙的最頂端,低密度的反中心那裏。正因如此,這是宇宙中一個可辨識的獨特的位置。但他強調,位於這個點不意味著我們作為一個物種有什麽特別之處。相反,反中心恰巧是這個宇宙唯一一個足夠的靜冷、可供生命存活的地方。這是我們有可能存在的唯一地方。
埃利斯想象的這個宇宙極為古怪—他倒是承認這一點—但他想表達的是:我們實際生活的宇宙很可能就是這個樣子。畢竟,從雞蛋宇宙頂端看到的宇宙景象應該和標準宇宙學中,我們生活在充氣氣球宇宙的一個點上看到的完全一樣。兩種情況下我們都可以看到各個方向的星係遠離我們而去。在充氣氣球宇宙中,這一效應由整個宇宙的膨脹導致,而在雞蛋宇宙中,其成因是星係受到高引力奇點的牽拉向它移動。但是,從我們的位置卻沒辦法區分到底是哪一種情形。兩個模型會生成完全一致的觀測數據。
可事實果真如此嗎?我們真的生活在一個巨型的雞蛋(宇宙)頂端?如果是這樣,這會徹底顛覆現代宇宙學。畢竟,埃利斯的模型總體上摒棄了大爆炸,想象出了一個沒有開端的宇宙。天體物理學家對此的反應是懷疑。物理學家保羅·戴維斯[30]在《自然》期刊中對它做出評價時開玩笑說,對埃利斯來說幸運的是,對異端邪說者施以火刑的做法已經不再流行了。
當然,雞蛋宇宙並沒有打倒現代宇宙學。在埃利斯繼續打磨其模型的過程中,他認定自己在愛因斯坦的廣義相對論框架下,無法讓模型達到自己滿意的程度,這使他拋棄了這個想法。雞蛋宇宙的故事也就到此結束了,但這並沒有改變他想要提出的更大的概念,這個概念仍然意義重大。這就是宇宙大尺度結構的問題—它有可能迷惑我們,阻撓我們理解宇宙的嚐試。
根據我們現有的天文學觀測,標準的充氣氣球宇宙模型事實上是一個合理的結論。我們觀察到各個方向上星係都在遠離我們,由此假設宇宙各處都在發生著同樣的現象,是完全合理的。這是我們可以做出的最簡單的假設。可問題在於,一個假設既簡單又合理並不意味著它就一定正確。宇宙從未承諾過它不會為難我們,而我們也永遠不可能從當前位置拉遠視角,看到整個宇宙的全景,來確認充氣氣球模型是否正確。因此,我們觀察到的所有效應都由其他某種更奇怪、更複雜、構成宇宙的大尺度方式造成—這種可能性始終是存在的(你可以閱讀“我們的宇宙其實是電腦虛擬世界?”這一章來了解其中一種可能性)。
拋棄了雞蛋宇宙模型之後,埃利斯把構想這類替代性宇宙結構當成了他的某種嗜好。他有一個想法:我們或許生活在一個小宇宙中。天文學家相信宇宙是無限大的,但埃利斯暗示也許它不過橫跨數億光年而已,但它是彎曲的,若你能旅行跨越整個宇宙寬度的距離,最後你會返回到自己的起點。這意味著我們周圍的星係並沒有我們以為的那麽多;它隻不過是視錯覺而已。我們看到同樣一片天上的星係反複出現,就像我們盯著兩塊平行放置的鏡子生成的一連串倒影一樣,埃利斯愉快地承認,這或許並非宇宙真實的樣貌,但我們是沒有辦法確切知曉的。
他的另一個想法是,雖然地球也許並未處於整個宇宙的中心,但它可能處在一個“宇宙空隙”的中心。20世紀90年代末,宇宙正在加速膨脹一事被發現,使他想到了這個點子。為了解釋這件事,天文學家已形成理論,認為某種神秘的“暗能量”造成了加速,但埃利斯反而提出宇宙中物質的分布可能是不均勻的。他說在宇宙的大部分區域,物質的密度非常高,但是存在氣泡一樣的空間—“宇宙空隙”,那裏密度很低。我們的星係也許正飄浮在這樣一個低密度的空隙的中心,而和我們一樣處於這個空隙之中的星係都在向外墜落,以越來越快的速率被周圍更高引力的區域牽引而向它們運動。如果事實果然如此,宇宙在顯著加速膨脹的現象,會是僅限於我們所在區域太空的局部現象。
同樣,埃利斯並沒有堅稱這是宇宙真實的樣貌。這更像是一個他想就宇宙學本質提出的哲學觀點。宇宙學是一個有趣的學科,因為宇宙學家研究對象(全宇宙)的絕大部分,是永遠看不到也無法與之互動的。這有點像你站在一棟大樓的一塊磚上,卻要想辦法弄清整棟樓的全貌一樣。你能做的最佳嚐試,是假設整棟建築都與那一塊磚相似,然後在這個基礎上繼續你的猜測。但如果對整棟樓來說這塊磚並不具有代表性呢?若是它隻是建築立麵的一部分呢?你沒辦法知道到底是怎麽回事。
這就是宇宙學家所麵臨的處境。他們假設我們能看到的這部分宇宙可以代表整個宇宙,基於這樣的假設試圖弄清宇宙的性質。但是你沒有辦法肯定什麽。我們的知識有著絕對、硬性的局限,迫使我們隻能長久忍受這種懷疑—宇宙可能實際上有某種大尺度結構,與我們所能想象到的任何事物都截然不同。