早期宇宙|早期宇宙中微小的量子涨落被时空快速扩张拉伸成了无数巨大的褶皱
作者：黄姤
如果你在一个晴朗的日子里爬上山顶 ， 你会为美景而惊叹 ， 你有机会一览绵延数千米的大好风景 ， 这种体验肯定让你印象深刻 。 然而每天晚上当你仰望星空的时候你会看到更加宏大的景象 ， 你可以凝望几十亿公里以外的深空 ， 每一颗星星都像宇宙海洋中的一座小岛 ， 仰望无边无际星空的时候 ， 你会看到无数会发光的小岛漂浮在空中的奇景 ， 在这片广袤的星辰大海之中 ， 你所居住的地方只是地球这座小岛的一个小小的角落 ， 这样的情景如果仔细想一想或许会让你恍惚 ， 这种景象之所以能够出现是因为宇宙大得令人难以置信 ， 并且大部分的地方都是空旷无比的 。 如果宇宙中的星星彼此靠得更近 ， 夜空就会变得更加明亮 ， 人在夜里入睡也会变得更加困难 ， 如果星星之间离得更远 ， 夜空就会暗得让人讶异 ， 我们对宇宙其它地方的了解也会变得更少 ， 另外如果太空不是那么的透明 ， 这样的美景将被笼罩在迷雾之中 ， 甚至难以认清地球在宇宙的位置 。
在望远镜和现代物理学的帮助之下 ， 人们可以深入的探索太空 ， 并且了解人类在宇宙里的位置 ， 了解恒星和星系的分布 。 但是我们对宇宙的了解并不比古人多很多 ， 已知的一切只会让我们提出更多的问题 ， 在我们看不到的地方会有更多的星星吗？宇宙到底有多大呢？这也就是这篇文章要讲的主题——宇宙的大小及它的结构 。
本文图片
宇宙>可观宇宙>北冥座长城>双鱼-鲸鱼座超星系团复合体>拉尼亚凯亚超星系团>室女座超星系团>本星系群>银河系次集团>银河系>猎户臂> 古尔德带>本地泡>本星际云>奥尔特云>太阳系>太阳圈>内太阳系>地月系>地球
宇宙的结构
现在你正在地球的某个地方看这篇文章 ， 具体的地点不太重要 ， 也许你正在坐在沙发上 ， 也许你正在高铁上 ， 也许正躺在床上 ， 在宇宙的宏大制度之下 ， 这些细枝末节都变得无关紧要了 ， 地球和它的7个姐妹行星围绕着太阳旋转 ， 太阳是围绕着银河系的中心旋转 ， 银河系是一个巨大的盘状涡旋星系 ， 明亮的中心延伸出几条旋臂 ， 太阳系大概是位于银河系其中的一条旋臂的中间 ， 太阳是银河系里上千亿颗恒星中的一员 ， 它既不是最古老的也不是最年轻的 ， 既不是最大的也不是最小的 ， 当你在夜晚仰望群星的时候 ， 你能看到的基本都是这条旋臂上的恒星 ， 那从宇宙的尺度看它们其实是太阳系的邻居 。
在晴朗的夜晚如果远离光污染的话 ， 你会看得足够远 ， 可以看到星系盘的其他部分 ， 它看起来像一条很宽的带子 ， 其中密密麻麻的布满了恒星 ， 好像泼在天空中的牛奶 ， 在夜空中看到的一切大多数都属于银河系 ， 因为它们最离最明亮 ， 宇宙的其它部分密布着其它星系 ， 目前还没有发现漂浮在星系之间的孤星系 。
本文图片
100年前 ， 天文学家还以为恒星均匀地点缀在太空里 ， 他们不知道恒星会聚集在一起形成星系 ， 直到建造了威力足够强大的望远镜 ， 才明白那些模糊的遥远的天体也是星系 ， 原本以为自己生活的星系就是整个宇宙了 ， 结果却发现它只是宇宙中可见的数十亿星系中的一员 ， 这在当时是特别重要的发现 ， 在此之前人们刚刚发现地球不是宇宙中唯一的星星 ， 而太阳也不过是众多恒星中的一颗 ， 每一次这样的发现都会使我们前进一大步 ， 不过在宇宙的尺度上这一大步还并不算什么 。
本文图片
图解：北冥座长城
星系在宇宙里也不是均匀分布的 ， 它们倾向于聚集在一起形成松散的星系群和星系团 ， 这些又组成了更大的超星系团 ， 每个超星系团里都有数十个星系团 ， 我们所在的超星系团重量大约是太阳质量的 10^15倍 ， 在超星系团的尺度之下 ， 宇宙的结构层次是非常分明的 ， 卫星围绕着行星转 ， 行星围绕着恒星转 ， 恒星围绕着星系的中心转 ， 星系围绕着它们星系团的中心转 ， 星系团系统又围绕着超星系的中心转移 ， 不过奇怪的是事情就到此为止了 ， 超星系团不会再形成巨型的星系团或者是超巨型的星系团 ， 但是它们做了更不可思议的事 ， 它们形成了横跨数亿光年却只有数千万光年厚的片状和纤维状的结构 ， 这些超星系团构成的片状结构特别的大 ， 它们弯曲起来形成不规则的球状或者丝状结构 ， 将空荡荡的宇宙包括在其中 ， 那里没有星系团也没有星系 ， 几乎是什么东西都没有 ， 你可以想象超星系团组成的结构就有点像DNA的双螺旋链 ， 在螺旋链的中间就是空的 ， 什么都没有 。
本文图片
图解：超星系团公布图
超星系团组织是宇宙中已知最大的结构 ， 如果继续放大视野就会看到恒星 ， 星系 ， 星系团 ， 超星系团 ， 片状结构这基本模式在其他的地方反复的出现 ， 而不会看到更大规模的结构 ， 接下来就没有什么有趣而复杂的更大的结构了 ， 那些片状的结构就像随机散落在地板上的积木 ， 均匀的遍布宇宙 ， 为什么这种模式以这样的尺度作为终结呢？超星系团为什么不会再形成一个围绕着什么东西旋转的结构呢？为什么宇宙到了这个层次就如此均匀了呢？
本文图片
图解：图为拉尼亚凯亚超星系团是室女超星系团银河系 、太阳系和地球所处的超星系团
结构形成过程
有一件事是显而易见的 ， 在这样的制度下我们是微不足道的 ， 我们在宇宙里没有占据什么特殊的地位 ， 我们住的地方也不是什么核心地带 ， 在拥有数十亿星系 ， 每个星系都有上千亿颗恒星的宇宙里 ， 提到生命和智慧我们也不一定有那么特殊 ， 这就引出了一个很有趣的问题 ， 为什么宇宙会有这样的结构呢？
以另一种形式存在的宇宙并不是很难想象的东西 ， 为什么所有的恒星没有聚集成一起形成一个更大的巨星系呢？为什么每个星系不是只有一颗恒星呢？星系它到底为什么会存在呢？为什么宇宙中的恒星不能像老房子里悬浮的尘埃一样均匀地分布呢？宇宙似乎可以一开始就是基于和对称的 ， 粒子在各个地方有着完全相同的密度 ， 如果这些是真的 ， 那么我们会得到一个什么样的宇宙呢？如果宇宙无限且光滑 ， 那么每一个粒子在每个方向都会受到相同的力 。 这意味着没有一个粒子会被迫向任何方向移动 ， 所有粒子都永远不会聚集在一起 ， 而宇宙也就是停止不动的了 ， 那反过来如果宇宙有限且光滑 ， 那么每个粒子都将被吸引到一个共同的地方 ， 也就是宇宙质量的中心 ， 那在这两种情况下你都不会找到任何聚集在局部的团块或者结构 ， 宇宙要么就是均匀的 ， 要么就要聚集到一处 。
本文图片
早期宇宙中微小的量子涨落被时空的快速扩张拉伸成了无数巨大的褶皱 ， 为恒星和星系在引力作用下的形成埋下了种子 ， 这个过程也受到了暗物质的助推 ， 并且从某一时刻开始暗能量将空间拉伸到更远的地方 ， 为了使今天的宇宙有一定的结构 ， 就需要在它很小的时候具有某种成团的性质 ， 一旦有了哪怕最微小的质量团块 ， 一个局部的引力热点就算出现了 ， 它可以将越来越多的原子拉到一起 ， 并且使它们远离所有其他原子的引力作用 。
举例说明：
好几家星巴克咖啡店均匀的分布在一座城市里 ， 每一位咖啡爱好者都能被最近的几家店吸引 ， 但是这些咖啡店和他的距离都差不多 ， 所以他总是犹豫不决 ， 不知道该去哪一家店 ， 然而如果某一家咖啡店通过冲泡过程中的一点小变化而制作出了更香醇的咖啡 ， 那么这家店就吸引更多的客人 ， 客人多了就会有更多咖啡店来到同一条街 ， 这又吸引了更多的客人 ， 这样就造成了一个正反馈的环路 ， 很快就会有那么一条街 ， 咖啡店特别的多 ， 客人也特别多 。
如果没有最初的那个热点 ， 这一切就无从开始 ， 在早期的宇宙里那个最早的热点 ， 对于今天的恒星和星系结构绝对是至关重要的 。
本文图片
在宇宙的婴儿时期是什么造成了第1个热点呢？
讲得通的机制只有量子力学的随机性 ， 这个不是猜想 ， 而是已经被观测到的事实 ， 从宇宙微波背景中看到的宇宙婴儿期的样子 ， 它展示了在从高热带电的离子状态冷却为中心气态占主流的时刻 ， 在宇宙微波背景图中看到的宇宙是均匀的 ， 但也不是完全均匀 ， 一些微小的涟漪体现了早期宇宙里的量子涨落 ， 在宇宙大爆炸里膨胀极大的拉升了空间 ， 并且将那些微小的涟漪放大成了时空构造中的巨大的褶皱 ， 这些时空褶皱又产生了团块的聚集和引力的热点 ， 并且在之后发展出更复杂的结构 ， 量子层面上随机事件的空间被快速的扩张给放大了 ， 这引发了今天所看到的一切 ， 如果没有暴胀宇宙看起来会很不一样 。
本文图片
宇宙里之所以没有比超星系团的片状和球状结构更大的结构 ， 是因为引力还没有足够的时间把那些大家伙拉到一起 ， 事实上今天宇宙里的某些部分直到最近才开始受到彼此引力的影响 ， 因为引力作用同样也受到光速的限制 ， 如果暗能量没有使宇宙不断地扩张 ， 那么引力将继续发挥聚集的作用 ， 由此形成更大的形状和结构 ， 不过暗能量的影响也很大 ， 宇宙中有两种互相竞争的作用 ， 引力把物质聚集到一起 ， 暗能量却要把它们拉开 ， 在这一刻两种作用似乎得到了完美的平衡 ， 这意味着我们生活在一个完美的时代 ， 这也让我们有幸见证了宇宙中这些庞大的结构 。 我们生活在这样一个平衡的时代 ， 真的只是一个巧合吗？我们人类曾经自以为很特殊 ， 比如说宇宙是地球的中心 ， 这样的想法应该让我们警惕 ， 因为我们很可能是在安慰自己脆弱的自尊心 ， 根据人类现在掌握的智商 ， 我们似乎生活在一个特殊的时代 ， 但事实是我们也不能确定这一点 ， 因为我们不敢确定暗能量的未来 ， 如果它继续将宇宙拉伸 ， 那么星系和超星系团 ， 就不会有足够的时间聚集成更有意思的结构 。 但如果暗能量有所改变 ， 那么引力就有机会把宇宙中的物质拉到一起 ， 宇宙之所以有结构 ， 是因为量子涨落带来了最初的密度褶皱 ， 后来又被暴胀给放大了 ， 从而为我们当前宇宙的形成埋下了一个种子 。
本文图片
这些种子又是怎样长大成为行星、恒星还有星系？
这里面的关键就是引力和压力之间的平衡 ， 在宇宙大爆炸之后大概40万年间 ， 宇宙还是一个有着微小密度褶皱的炽热的中性集团 ， 引力就是在这个时候开始行动的 ， 这个时候每一样东西都是中性的 ， 这个非常重要 ， 所有其他的作用力都在这一点上达到平衡 ， 强核力使夸克结合成了质子和中子 ， 电磁力把质子和电子拉到一起形成了中性的原子 ， 但是引力既不能被平衡也不能被抵消 ， 它是非常有耐心的 ， 在漫长的1万年间这些空间里的褶皱吸引周围的气体 ， 形成了越发致密的团块 ， 宇宙已经存在了很长时间了 ， 为什么引力还没有把所有的东西聚集成一个大的团块 ， 形成超大的恒星 ， 巨大的黑洞甚至是巨星的星系呢？
事情是这样的 ， 宇宙中刚好有足够的物质和能量可以让引力把空间变平 ， 空间不会弯曲到足够使所有的事物重新聚集到一起 ， 暗能量在使空间扩张 ， 所以最终的结果是在大尺度上事物都在相互远离 ， 即便是注定无法赢得这场拔河比赛 ， 引力仍然取得了局部的胜利 ， 在最初的密度褶皱里形成的气体和尘埃成为了团块 ， 只不过这些团块在整个宇宙中是分散的 。
本文图片
如果引力把这些气体和尘埃的团块拉到了一起会发生什么呢？
答：这个取决于这些团块有多大 。
一小团物质的引力只能形成像小行星 ， 大岩石 ， 这些东西之所以没有在引力的作用下它缩成一个小点 ， 是因为它们还有来自内部的压力 ， 岩石里原子不愿挤得的太紧它们会反抗 ， 这些东西最终的状态是引力和压力之间达到平衡的结果 。
质量更大的东西 ， 比如说像地球那么大的行星 ， 它的引力足够把中心的岩石和金属压缩成熔化的岩浆 ， 地球中心滚烫的岩浆就是这么产生的 。
如果有一团足够大的物质 ， 引力还可以通过炽热的粒子态把这团物质变成一个恒星 ， 恒星从本质上说就是处于不断爆炸状态的热核聚变 ， 唯一能使它们不散架的就是引力 ， 引力或许很弱小 ， 但是可以把足够多的物质聚集到一起 ， 产生不断爆炸的核聚变 ， 并且让它维持数十亿年之久 ， 这些恒星之所以没有立即坍缩成更致密的天体 ， 是因为它的内部有压力 ， 一旦燃料消耗殆尽无法再提供对抗引力的压力恒星就会坍缩成黑洞 。
本文图片
宇宙里大部分物质不是用来形成行星或者恒星的
宇宙大部分的物质里大概有80%的质量是以暗物质的形式存在的 ， 暗物质可能具有我们不太了解的作用 ， 但我们可以肯定的是它的质量对引力效应是有贡献的 ， 但是暗物质没有电磁力和强核力 ， 所以在它内部没有用来对抗引力的压力 ， 它会像普通物质那样聚集到一起 ， 但是会持续地聚集下去 ， 形成巨大的暗物质团 ， 在有暗物质团形成的地方 ， 普通的物质会被强大的引力拉进去 ， 事实上目前人们认为是暗物质让宇宙更快地形成了早期的星系 ， 在没有暗物质的宇宙里 ， 最初的星系需要花好几十亿年的时间才能形成 ， 然而我们现在看到的星系在宇宙大爆炸之后仅仅几亿年就形成了 ， 这个可真的要感谢暗物质 。
本文图片
星系也会被引力拉到一起 ， 但是它们有很多不同的压力可以对抗引力 ， 所以不会坍缩成黑洞 ， 具体的情况因星系而各异 ， 旋涡星系没有坍缩是因为它们旋转得非常快 ， 角动量能够有效地使所有恒星保持距离 ， 这也是暗物质没有坍缩成更稠密团块的原因 ， 暗物质粒子的速度和角动量使引力很难把它们拉到一起 ， 所以宇宙充满了由超星系团构成的巨大片状和球状的结构 ， 其中每个星系都有数千亿颗恒星在围绕着黑洞旋转 ， 还有很多气体尘埃和行星 。 至少一颗行星上居住着人类 ， 我们正在仰望群星 ， 并且思考自己的存在 ， 但是这样的情景会延伸到多远的地方呢 ， 这些巨大的片状和球状的结构会永远延伸下去吗？或者宇宙中所有的物质更像是虚空之中的孤岛或者是一片大陆呢？宇宙它到底有多大呢？
如果能以极快的速度飞过整个宇宙 ， 那么我们会更清楚的知道物质在宇宙中是如何排布的 ， 更重要的是可能知道宇宙能延伸到多远的地方 ， 可是遗憾的是我们飞不了很快 ， 我们在宇宙中移动的速度是有上限的 ， 这意味着在开发出去曲率引擎之前 ， 我们只能试着从辽阔的外部世界来到地球的信息来回答这些问题 。
本文图片
可观测宇宙以外的区域真的无法再观测到了吗
光只有138亿年的时间可以抵达到我们这里 ， 这意味着在138亿光年之外 ， 任何物体对我们来说都是不可见的 ， 可能有星系那么大的绿色巨龙在我们的视线之外又活蹦乱跳的 ， 就如我头像一样的宇宙龙 ， 但是我们却并不知道 ， 当然没有证据能表明这样的龙存在 ， 但是我们视野之外的东西又有多大可能跟在我们身边的东西是一样的呢 ， 又有谁规定138亿光年之外的宇宙必须和我们能看到的宇宙是一模一样的呢？可观测的宇宙是非常大的 ， 我们看不到外面有什么 ， 但我们仍然能想象它有多大 ， 以下是几种可能：
第1种可能：因为没有什么能跑得比光速还快 ， 所以可观测宇宙的半径一定是宇宙的年龄和光速的成积也就是138亿光年 。
本文图片
第2种可能：是因为空间本身可以扩张的比光速还快 ， 所以我们可以看到原本在我们视野之中 ， 后来又超越了我们视野的东西 ， 去推算可观测宇宙的半径最大是465亿光年 ， 也就是宇宙的年龄乘以光速再加上时空的扩张程度 。
本文图片
目前在科学家的普遍共识里 ， 第2种可能性是正确的 ， 因为空间在扩张 ， 所以我们能看到那些曾经离我们比较近的东西 ， 可观测的宇宙要比光速乘以宇宙的年龄要大得多 ， 这个就是我们可以看到的宇宙 。
好消息是 ， 我们可以看到几十亿个星系里大概10^21颗恒星 ， 另外一个好消息是 ， 可观测宇宙的半径在以每年至少一光年的速度增长 ， 按此计算可观测宇宙的增长更加惊人 ， 因为每年增长的空间都比上一年更大 ， 你永远也不会有机会踏足的绝美星系已经多的让你无法理解了 ， 但是事情也没有那么简单 ， 宇宙万物都在远离我们 ， 与此同时空间本身也在扩张 ， 有一些东西和我们的距离增加的太快 ， 来自它们的光永远也无法到达我们这里 ， 换句话说 ， 可观测宇宙可能永远也无法追上真实的宇宙 ， 这意味着我们可能永远也看不到宇宙中所有的东西 。
坏消息是 ， 我们不知道宇宙的确切范围 ， 事实上我们可能永远也不会知道 ， 宇宙到底有多大我们只能来猜一猜 ， 也许宇宙的大小是有限的 ， 只不过空间的扩张让我们无法看到宇宙的边界 ， 一些科学家研究了这种可能性 ， 并且试图通过听起来合理的假设来估计宇宙的大小 ， 反正也没有人知道比10^20更大的数字是个什么概念 ， 所以你基本上可以随便猜一个数 ， 但是瞎猜的时候其实也没有什么意义 ， 如果有人告诉你说你房子的面积在200平米到10^23平米之间 ， 那你立马就能知道他是在瞎猜 。
本文图片
空间属于三维甚至更高的维度吗
如果宇宙的确是弯曲的 ， 那么空间属于三维甚至更高的维度 ， 在那种情况下空间本身就是有限的 ， 它绕着自己转了一个大圈 ， 朝着一个方向前进 ， 并且最终回到了出发的地方 ， 这个可能听起来有点让人震惊 ， 但我们至少知道宇宙是有限的而不是无限的 ， 这一点在数学上是可能并且是自洽的 ， 如果真的是这样的话 ， 那光在这样的宇宙里也许会绕圈 ， 甚至可能不止一次的经过地球 ， 这意味着你会在天空中多次看到同样的天体 ， 这个天体的光每绕着宇宙转一圈 ， 你就会看到它一次 ， 不过遗憾的是科学家试图在星系结构和宇宙微波背景中寻找这样的效应 ， 却没有发现任何证据 。 如果宇宙是有限的并且光会绕圈 ， 那这个圈一定是比我们能看到的部分要大得多 ， 当然空间更大的可能就是它本身是无限的 ， 它所容纳的物质和能量当然也是无限的 ， 但是仔细想想这是一个令人匪夷所思的可能 。
本文图片
因为无限是一个奇怪的概念 ， 这意味着宇宙中的各个角落正在发生着一切可能发生的事情 ， 一件事不管有多离奇 ， 只要它发生的可能性不为0它就能发生 ， 在无限的宇宙里 ， 有某一个跟你非常像的人 ， 此时此刻却做着别的情况 ， 想要知道一件事在无限的宇宙中可能发生多少次 ， 你只需要用它发生的概率乘以无穷大就好 ， 任何事只要它的概率不为0 ， 它就一定会发生 ， 而且会发生无穷多次 。
本文图片
宇宙为什么这么空 ， 为什么恒星和星系之间会有这么大的距离？
太阳系的宽度大概是90亿公里 ， 离我们最近的恒星（比邻星）大概在4.22光年远的地方 ， 银河系大概是10万光年宽 ， 离我们最近的仙女座星系大约在250万光年远的地方 。
无论空间有多大 ， 也无论它是什么形状 ， 宇宙中都有足够的地方让各种东西离得更近一些 ， 但这些东西偏偏离得这么远 ， 空旷其实只是一个角度的问题 ， 我们可以把这个问题划分成两个不同的问题：
第1个问题：为什么我们不能比光速更快 。
第2个问题：为什么空间会因为宇宙大爆炸膨胀至今 。
光速是我们在宇宙中衡量远近的标尺 ， 如果光速比现在快得多 ， 那我们就能看得更远 ， 并且前进的更快 ， 但宇宙中的事物看起来也就不会那么远了 ， 如果比现在要慢 ， 那么就更不可能造访附近的行星了 。 另一方面 ， 我们也不能全怪光速 ， 如果宇宙大爆炸没有让空间在一瞬间膨胀的太多 ， 那么今天的万事万物都将离得更近 ， 如果暗能量没有把一切都推得越来越远 ， 那么星际旅行的前景也不会每时每刻都变得更加黯淡 ， 所以宇宙的空旷最终要归原于两个量的作用：
一个是决定了距离尺度的光速 。
另一个是把万事万物都拉得更远的空间膨胀 。
本文图片
黄姤·结语
关于宇宙大小和结构的所有知识都来自于我们在地球上所能看到的光 ， 目前已经向其他星系派出了探测器 ， 也向太空发射了望远镜甚至还把人送上了月球 ， 但是从宇宙的角度来看 ， 我们基本上只是在原地打转 ， 我们对宇宙的了解全部都基于我们从宇宙的某个角落进行的观察和猜测 ， 处在这样一个普通的位置 ， 我们已经回答了一些年代久远的问题 ， 比如说天上的星星是什么！它们为什么会移动！为什么会这样移动！
【早期宇宙|早期宇宙中微小的量子涨落被时空快速扩张拉伸成了无数巨大的褶皱】也纠正了一些长期存在的错误观念 ， 比如我们处在宇宙的中心 ， 但是然后呢 ， 我们的宇宙是有限的还是无限的呢？几十亿年之后宇宙的结构会发生什么变化 ， 这些问题的答案将大大影响我们对宇宙和人类自身的看法 。
推荐阅读
- 科学|宇宙中到底有多少星系？
- 宇宙中到底有多少星系？
- 经济观察网|和瑞基因发布肝癌早筛产品 可提前6-12个月筛出极早期肝癌
- 和平精英：如果票选早期皮肤返场，三款玩家心中的返场服装，你会选择投给谁
- 马特·卡普兰|在未来数万亿年后，我们的宇宙将以这种方式死亡：缓慢地灰飞烟灭
- 慢性支气管炎的早期中医诊断
- 宇宙|科学家计算出宇宙的新年龄 竟年轻了12亿岁
- 送皮肤和入门包!《Jump大乱斗》早期预购特典公布
- 华为|60岁创办中微半导体！自研出首台5nm刻蚀机，确立了技术地位领先
- 青年|孙尚香时之恋人早期设计稿终于曝光，废稿远比定稿好看，可以选了最丑的