有四个可能的答案:
宇宙没有尽头
宇宙存在界限
宇宙之外是未知的虚空
宇宙之外可能蕴藏着其他世界
奇妙的是,这四个答案,从不同的角度去解读,都具有其合理性。
嗯,下面会涉及一些高维度空间的理论,我会尽量用简单易懂的语言来阐述,咱们逐个来分析:
宇宙没有尽头
宇宙的规模是有限的,但并没有明显的界限,也就不存在尽头。
很多人会问:“我一直沿着一个方向前行,不会有尽头的行走,不就是证明宇宙没有界限吗?”或是“如果我向宇宙的远方投掷一个球,如果球反弹回来,那不就证明宇宙有一个边界吗?”
实际上,你不会在行进中遇到一堵写着“禁止通行”的墙,也不会被反弹回来的球击中。宇宙并没有像墙壁那样的界限。但这并不意味着宇宙是无边无际的。
为了帮助理解我们的三维宇宙,让我们先将视角降至二维空间。首先,我们以地球的表面为例,这是我们在二维世界里的第一个例子。
地球的表面是一个曲面,若不考虑飞行器离开地球的情况,人类生活的范围不过是大气层的上层和平流层的底部矿井。与整个地球的规模相比,我们实质上只是生活在地球二维表面的生物。
在这样一个二维的表面上,地球有边界吗?——没有,你可以一直沿着经纬线走下去,不会有人把你拦在尽头之外。在这样一个二维的表面上,地球的面积是有限的吗?——是的,大约是5.1亿平方公里。因此,二维的地球表面是有限的面积但没有界限。
我们的三维宇宙亦是如此。在地球上的小范围尺度内,你会觉得地面是平的。但从太空看地球,你会发现地面是弯曲的。你沿着一个方向走下去,最终会绕地球一圈回到原地。
在我们的宇宙中,你可能认为从一点到另一点是直线距离,但从大尺度来看,空间实际上也是弯曲的。如果你用激光笔指向远方,光线并不会撞击到宇宙的“墙壁”,而是会绕一个大圈照回到你的后脑勺。(如果你有足够的耐心等待的话)你以为它是直的,其实它是弯曲的。
在二维的地球表面上,不存在“之外”。中国有国界,你可以越过国境线到达邻国。亚洲有界,你可以穿过乌拉尔山脉进入欧洲。但地球表面没有“之外”,因为没有“边界”。
同理,在三维的宇宙中,也不存在“之外”。“楚门的世界”有“之外”,电影中的楚门生活在一个人造的世界里,他航海探索,最终撞到了那个世界的边缘。太阳系有“之外”,旅行者号探测器继续前行,终将离开太阳系。然而,我们的宇宙没有“之外”,正如之前所说,不存在“边界”。
《楚门的世界》中的一幕,楚门划船出海,最终撞击到了世界的边缘。
第一部分到此结束,宇宙没有“之外”,但它的规模是有限的。
宇宙存在界限
现在可能有读者会问,你说二维的地球表面没有“之外”,但旅行者号不是已经离开了地球吗?再看下面的地球示意图,B和C都位于地球表面,但A不是在“外面”了吗?A是否是地球的“之外”?对于宇宙来说,是否也存在这样的点A?答案是,没错,在更高的维度上,宇宙的确有“之外”,但这个“之外”与我们通常理解的“之外”有所不同。
A点确实在地球表面二维空间的“之外”,但这是上升到了一个更高的维度,从二维平面来到了三维空间。如果我们在三维空间上升一个维度,进入四维空间,那么,宇宙同样存在这样的A点,宇宙有“之外”。
然而,如果你生活在地球二维球面上,并不了解三维空间的概念,你将无法理解A点的存在。同样,对我们这些生活在三维空间的生物而言,也无法找到宇宙在四维空间的“之外”的A点。
为何所谓的“之外”与我们平时说的“之外”不同?因为任何从高维降到低维的过程,都会将大量的信息压缩到一个狭窄的空间里。
例如,用铅笔在纸上画一条线——这是一维。
用显微镜观察,你会发现这条线有宽度——这是二维。
继续放大,你会发现铅笔线上的石墨颗粒黏附在纸上——这是三维。
从近到远,从三维回到二维再回到一维,降维之后,相当于把三维空间中的石墨颗粒的复杂信息压缩进了狭小的一维线条里。
同样,这张图展示了三维的地球。但实际上,它出现在你的二维电脑屏幕上,这是一张二维图。它将三维的地球表面信息压缩进了二维图片,东半球和西半球重叠挤压在一起。由于信息量压缩巨大,你会发现,B点在东半球和西半球代表不同的城市。如果你和我一样熟悉地球仪,不难发现B点在西半球接近纽约在东半球则是中国北京。
这时,当北京遇到纽约,如果有一架飞机从北京飞往纽约,你会发现,在图上,飞机从B点飞到了C点,然后又原路返回B点。在二维平面上,看起来飞机始终在B点,但实际上飞机已经跨越了半个地球。
二维空间中,两个半球被挤压在了一个圆圈内,共享一个圆形的边缘。
三维空间也是如此。
想象两个四维空间的苹果,被挤压到了一个三维空间的苹果里。别人看你手里拿着一个苹果,但实际上这个空间里有两个!
这时,在苹果的内部,有一只虫子。它啃啊啃啊,啃到了表面。又啃啊啃啊,回到了原来的位置。
这时你看着它,以为它回到了原来的路。
但实际上,它啃进了第二个苹果!正如两个半球共享一个圆形边缘,这两个苹果共享一个苹果表面!
正如从北京去纽约,必须先到边缘的C点,虫子要啃到第二个苹果里,必须先从苹果的深处啃到表面再原路返回。
这时有人可能会想,既然挤压之后,北京和纽约也重合了,飞机直接穿过纸面来到纽约不行吗?这不是更直接吗?那个要去第二个苹果的虫子,不经过表面,就不能进入第二个苹果里吗?
哇!恭喜你,发现了虫洞。
虫洞是一个高维度的桥梁,在二维世界中,虫洞是一个三维的通道,洞口是圆形的,飞机可以从北京的反面直接穿过洞口来到正面的纽约。在三维空间里,虫洞是一个四维的时空隧道,洞口是一个三维的球,进入之后再出来,就到了另一个空间。
这就是为什么在电影《星际穿越》中,男主的飞船冲进虫洞,看着是一个漂亮的球,就如同进入了隧道,出来后发现来到了另一个星系。
电影《星际穿越》预告片中的虫洞入口长这样。我们从未亲眼目睹真正的虫洞,但我认为这个场景非常接近。
但要注意,只有在时空极度扭曲的情况下(比如两个半球挤在一起),虫洞才可能建立。
这时问题又来了,挤在一起的两个苹果A和B,虫子在苹果A里啃到了表面,如果一跃跳到了苹果外面的空气中,那么,可以肯定虫子是在A的“之外”了。
但虫子如果啃回到苹果B的深处,从外面看,似乎还在苹果A的原位,但实际上已经换了苹果,这时,虫子在苹果A的“之外”吗?
假设虫子是通过一个四维的虫洞从苹果A来到苹果B的,在虫洞里的时候,虫子相当于已经进入了高维空间,这算是在苹果A的“之外”吗?
这取决于你对“之外”的定义。
因此,在更高的维度视角下,宇宙的确有“之外”。但这个“之外”与我们平时说的“之外”并不相同。
宇宙之外有什么,我们不知道
所以我们从三维空间的角度看,宇宙没有“之外”。讨论“宇宙之外是什么”对我们三维空间的生物来说是没有意义的。同样,我们也无法讨论“时间开始之前是什么?”
科学不涉及这些问题,你可以将其留给宗教和信仰。罗马教皇现在基本上认同是上帝引发了宇宙大爆炸,创造了世界。飞天面条神教可能认为,时间开始之前的时间线就像一根充满弹性的面条,你正在和一个丑男相亲,突然面条一拉伸,时间线变长了,于是你感到这场相亲漫长无比。
为什么科学不讨论这些?
因为这些问题既不能被证实,也不能被证伪。
在三维宇宙的我们,若处于二维平面,则会发现一个异样的世界,那里的基础物理常数,比如重力加速度,与我们熟知的世界大相径庭。(事实上,二维空间根本不存在重力这个概念,因为他们没有上下之分,这里只是借用以阐明观点。)
类似的,虽然理论上存在着多个并列的宇宙,但由于我们的宇宙在更高维度的空间中所处的独特位置,导致它与其他宇宙在基本常数的设定上存在差异。例如,不同的宇宙可能拥有不同的光速,万有引力常数也可能有所区别。甚至在某个刚刚经历大爆炸后不久、空间几何极度扭曲的新生宇宙中,圆周率这个常数也会与我们不同。
所以,尽管我们无法确切了解宇宙之外究竟是什么,但我们可以充满好奇地、愉快地去猜测和想象。