“宇宙並無敵意,然它也並不友善。它只是淡淡無情而已。”——〔美〕J·H·霍姆斯
我們是誰?我們從哪裡來?又要到哪裡去?堪稱哲學上的恐怖三連問。我們能夠提出這些問題,這也許就是人類和所有其他動物的最顯著的區別。然而,如果我們想要嘗試回答問題,而不只是提出問題,想要理解我們從何而來,就必須從了解我們在整個宇宙中的位置開始。
人類花了數千年的時間才明白我們居住的地球是圓的,它只是眾多圍繞太陽執行的行星之一,而太陽只是我們銀河系中數千顆、然後是數百萬顆、然後是數十億顆恆星中的一顆。
一個世紀以前,我們才知道,天空中巨大的螺旋狀和橢圓形星雲既不是原恆星,也不是我們自己星系中的任何物體,而是整個獨立的“宇宙島嶼”,或者說是星系本身。
大(右上)和小(左下)麥哲倫星雲
我們能用肉眼看到的所有星系:
仙女座,三角座星系,大麥哲倫星雲,還有小麥哲倫星雲,在整個宇宙的巨集偉藍圖中,是離我們比較近的星系。這四個明亮的星系,以及大約50個其他較小、較暗的星系,組成了我們的本星系群。這些由大小星系組成的獨立星系代表了我們的宇宙後院:我們宇宙一個區域性的角落。
在本星系群以外,還有更大的品質和恆星集合。那些最大的星系團,不僅包含了數萬億顆恆星,跨度可能有1000萬光年,包含的物質品質是我們本地星系品質的數千倍,其體積是我們鄰居所佔空間的數萬倍。
當然,宇宙中還有更小的星系群,其中也有一些最極端、完全孤立的星系,這些星系與其他星系沒有任何聯絡。這些“場星系”孤獨地存在著,註定要在永恆的孤獨中漫遊宇宙。
那麼是什麼決定了星系群、星系團或孤立的星系?這個故事可以追溯到大爆炸之前,追溯到宇宙本身的結構種子是如何產生的。為了準確地講述這個故事,我們必須回溯到已知宇宙的最初階段,回到一個空間結構什麼都沒有的時代。
空無一物這個概念從物理宇宙的角度思考它時,並不那麼簡單。當我們去除宇宙中所有的物質和反物質,所有的輻射,所有的粒子和反粒子,所有的由於引力而產生的空間曲率,以及任何我們能想到的東西。毫無疑問,沒有什麼比空的空間本身更加“虛無”?
但是我們發現空的空間本身並不是那麼空,而是有一定的內在能量。其中有幾種不同的視覺化方法來幫助我們理解空間中固有的能量:
問題的關鍵在於,看似空無一物的空間並不是沒有能量。事實上,在宇宙的早期,真空具有巨大的內在能量。這段時期被稱為宇宙的暴脹期,並導致了宇宙空間的指數膨脹。在這段時間裡,你認為這些量子漲落會發生什麼?
這些微小的量子漲落也延伸到整個可觀測宇宙。
當暴脹結束時,這些量子漲落也隨之被均勻的拉伸到了整個宇宙中,形成了一個尺度不變的波動譜,這意味著在所有的尺度上都存在著熱點和冷點,對應著密度過高和過低的區域。宇宙本身固有的能量被轉化為物質、反物質和輻射,產生了我們熟知的熱大爆炸。
隨著時間的推移,萬有引力和輻射壓力相互作用,在宇宙中形成了一種波動模式:我們在大爆炸殘留的輝光中看到了這種模式。
冷點是物質略多於平均值的區域,而熱點是物質略少於平均值的區域。
最大的、“最冷的”冷點將成長為宇宙中最大、密度最大的星系團(甚至是超級星系團),而較小的冷點將成長為更小尺度上的群體甚至是單個星系。相比之下,熱點將會逐漸“縮小”,把它們的物質轉移到密度更大的區域,變成宇宙空洞,或者空間中只有很少星系的區域。
總的來說,宇宙的物質結構變成了一個巨大的宇宙結構“網”也就是絲狀結構,展現出了所有星系團、星系群、場星系和空間的特徵。
考慮到以上的因素,那麼我們的本星系群是怎麼來的?它是從一個相對較小的“冷點”開始生長的,那裡的物質密度僅略高於平均水平。在我們附近有更大的冷點,它們形成了獅子座,室女座星系團,稍遠一點的地方,是我們附近宇宙的龐然大物:後發星系團。
但是這些其他的結構沒有一個受引力束縛;而本星系群很特別,因為當宇宙膨脹時,我們後院的50多個星系相互間的引力克服了宇宙的膨脹。隨著時間的推移,當暗能量把宇宙的其他部分推開,導致所有其他的星團、星系群和星系最終變得遙不可及時,本星系群中的一切只會變得更加緊密。事實上,在接下來的幾十億年裡,所有的本星系群中的星系都會融合在一起,最精彩的時刻將出現在大約30億到50億年後,那時兩個最大的星系銀河系和仙女座星系會發生碰撞。
其結果呢?再過幾十億年,我們的本地星系將全部合併在一起,成為一個巨大的橢圓星系。
除此之外的一切呢?它們都將會加速遠離我們。雖然現在我們看到的宇宙包含了幾千億個星系,但隨著宇宙的不斷變老,在未來我們只能在宇宙中看到唯一的一個星系,就是我們的銀河仙女座大橢圓星系。
我們今天看到的所有星系(以及下圖中的每個畫素都是一個星系),都將從我們的視野中消失。
我們的宇宙產生了如此豐富多樣的元素、恆星、行星和有機組合,使我們的存在成為可能,而且現在我們可以準確地感知整個宇宙。
我們可以確切地知道我們來自哪裡,我們現在在哪裡,我們是誰,我們要去哪裡。這確實是一件了不起的事。