第二章
從大霹靂到現在
開始就暗示了結束，也需要結束。
――樂克（Ann Leckie），《輔助正義》（Ancillary Justice）
我很喜歡關於時間旅行的故事。我們當然可以輕易對時光機的物理原理吹毛求疵，或把出現的各種悖論一一列舉出來，但這個想法十分吸引人，即我們也許能找到一種方法，打開通往時間的大門，讓我們能知曉並干預過去和未來，讓我們擺脫這列失控的「現在」列車，無情地駛向某種未知的命運。線性時間似乎是如此受限，甚至是浪費—為什麼僅僅因為時鐘向前移動了幾格，我們就永遠失去了這些時間、所有這些可能性？我們可能已經習慣了嚴格的時序壓迫，但這並不意味著我們必須喜歡它。
幸運的是，宇宙學能幫上忙。當然，不是任何實際意義上的—我們在談一個相對深奧的物理學分支，它絕不可能讓你拿回昨天丟在火車上的雨傘。只不過雖然你的生活保持不變，但關於存在的其他一切都永遠改變了。
對宇宙學家來說，過去並不是遙不可及的失落境界。它是一個真實的地方，是宇宙中一個可觀測的區域，也是我們投入大部分工作時間的地方。我們只要安靜地坐在辦公桌前，就能觀察到數百萬甚至數十億年前天文事件的進展。這個技倆並不是宇宙學特有的，而是我們所處的宇宙結構所固有的。
歸根究底其實就是一句話：光的傳播需要時間。光速很快—大約每秒3億公尺—但仍然不是即發便至。在日常生活中，當你打開手電筒時，手電筒發出的光大約每奈秒（10-9秒）前進30公分，而你所照亮的物體反射回來的光線，需要同樣長的時間才能映入你的眼簾。事實上，不管你看的是什麼，你所看到的影像（其實只是物體反射的光進入你的眼睛）在送到你眼前時，都已經有點舊了。從你的角度來看，在咖啡館裡坐在你對面的人，已經是過去幾奈秒的人了，也許這多少解釋了他們留戀的表情和過時的時尚感。就你而言，你所看到的一切都已成為過去。如果你抬頭看月亮，你看到的其實是1秒多一點之前的月亮。你看到的太陽是8分鐘多前的。而你在夜空中看到的星辰，更是來自遙遠的過去，從幾年到幾千年不等。
你可能早就熟知這種光速延遲的概念，但其意義極為深遠。這意味著作為天文學家，我們只要觀察天空，就能看到宇宙從早期到今天的演變在眼前上演。我們在天文學中使用「光年」這個單位，不僅是因為它是便於使用的大數值（大約9.5兆公里），還因為它能告訴我們，光從我們所觀察的物體而來，行進了多久。從我們的角度來看，10光年外的恆星已經是10年前的事了。100億光年外的星系，已經是100億年前的事了。由於宇宙只有大約138億年的歷史，所以那個距離100億光年的星系，就可以告訴我們宇宙年輕時的狀況。從這個意義上說，凝望宇宙就等於凝望我們自己的過去。
對此有一個重要的警告，如果不提就是我的失職。嚴格來說，我們根本看不到自己的過去。光速延遲意味著物體距離越遠，它所身處的過去就越遙遠，而且這種關係是非常嚴謹的：我們不僅看不到自己的過去，也看不到那些遙遠星系的現在。距離越遠的東西，在宇宙時間線上的間隔就越大。
那麼，如果我們只看到其他星系很久以前、距離遙遠的過去，我們如何才能瞭解我們自己的過去呢？這就要說到一條原理了，因為對宇宙學太過核心，所以它乾脆被命名為宇宙學原理（cosmological principle）。簡而言之，這條原理指的是，就所有實際目的而言，宇宙在任何地方基本上都是相同的。顯然，這在人類尺度上是不正確的—地球表面與深太空或太陽中心當然大不相同—但在天文大尺度上，整個星系也只能算做一個無趣的斑點，那麼宇宙在各個方向上看起來當然都是一樣的，並且由相同的東西所組成。這想法與哥白尼原理（Copernican Principle）密切相關，哥白尼原理是哥白尼（Nicolaus Copernicus）在16世紀提出的觀念，曾被視為異端，即我們在宇宙中並不佔據「特殊位置」，而是某個可能隨機選到、再普通不過的位置。因此，當我們觀察一個10億光年外的星系，看到它在一個比我們現在的宇宙年輕10億年的宇宙中，並看到它們10億年前的樣子時，我們可以有十足的信心認為，10億年前的這裡，環境應該與它們是十分相似的。在某種程度上，這可以透過實際觀察來檢驗。對整個宇宙中星系分布的研究發現，宇宙學原理所暗示的均勻性，在我們所看到的任何地方都成立。
結果就是，如果我們想瞭解宇宙本身的演變，以及我們銀河系成長的環境，我們只需要觀察遙遠的東西。
這也意味著在宇宙學裡，並沒有定義明確的「現在」概念。或者更確切地說，你所經歷的「現在」，完全只是針對你、你正身處的地方、你正在做的事而言。如果我們現在看到一顆超新星（supernova）爆炸的亮光，看著它當場爆炸，但那束光其實已經行進了數百萬年，那麼「那顆超新星現在要爆炸了」這句話到底是什麼意思？我們所看到的東西本質上完全是過去的事情，但那顆爆炸恆星的「現在」，對我們來說是無法觀察到的，而且我們在數百萬年內都不會得到任何關於它的知識，這使得它對我們來說不是「現在」，而是未來。
當我們把宇宙想成存在於時空（spacetime）之中—一種蘊涵一切的宇宙網格，其中空間是三個軸，時間是第四個軸—我們可以將過去和未來，視為同一織面上的遙遠點，伸展橫跨宇宙的誕生到終點。對於落在這個織面上不同位置的人而言，對我們來說屬於未來的事件，對他們來說可能是遙遠的過去。而我們幾千年後才能看到的事件所發出的光（或任何訊息），「現在」正穿過時空流向我們。那麼這件事是發生在未來，還是過去，還是兩者皆是？這一切都取決於視角。
如果你習慣以3D世界來思考，這麼一想的確會讓人頭昏腦脹，不過對天文學家來說，非無限（noninfinite）的光速是非常有用的工具。這意味著我們不只可以尋找宇宙遙遠過去的線索—它的痕跡和殘餘物—更可以直接看著它，觀察宇宙隨著時間的變化。我們可以窺見才30億年的宇宙，在恆星形成的文藝復興時期，星系爆發出萬千光芒（如果不是藝術和哲學性的話），還可以看到這些光芒在隨後的宙（eon）中如何黯淡下去。我們甚至可以看得更遠，看到物質在不到5億年的宇宙中被捲進入超大黑洞，當時星光才剛開始穿透星系之間的黑暗。
不久之後，借助新的太空望遠鏡，我們將能夠觀察到宇宙中最早形成的一些星系—在宇宙只有幾億年歷史時形成的。但如果這些星系是第一批，那麼如果我們回顧得更遠的話會怎麼樣？我們能看得遠到還沒有星系的時候嗎？我們打算這麼做。現在正在建造的電波望遠鏡，也許能夠透過利用光和氫之間的偶然相互作用，來觀察誕生第一個星系的物質。透過直接觀察氫，這種有一天會變成恆星和星系的物質，我們可以觀察宇宙形成中的第一個結構。
但如果我們回顧得更遠呢？如果我們回顧到恆星、星系、氫氣存在之前的時代會怎麼樣？我們能看到大霹靂本身嗎？
是的，我們可以。
看見大霹靂
有一種流行的說法是把大霹靂描繪成某種爆炸—光和物質從一個點突然爆發，在宇宙中滾滾而出。其實不是這樣的。大霹靂不是宇宙內部的爆炸，而是宇宙本身的膨脹。它也不是在某一點發生，而是在每個點發生。今天宇宙空間中的每一點—遙遠星系邊緣的一處，另一個方向同樣遠的一塊星系間空間，你出生的房間—這些點中的每一個，在時間剛開始時都近得觸手可及，但就在那同一刻迅速拉開距離。
大霹靂理論的邏輯非常簡單。宇宙正在膨脹—我們可以看到星系之間的距離隨時間過去變得越來越大—這意味著星系之間的距離在過去更小。做個思想實驗，將我們現在看到的膨脹倒推回去，倒推個數十億年，總有一刻星系之間的距離必定為零。可觀測的宇宙，包含我們今天所能看到的一切，一定是包含在一個更小、更密集、更熱的空間內。但可觀測的宇宙只是我們現在所能看到的宇宙的一部分。我們知道太空遠不止於此。事實上，根據我們所知，宇宙的大小完全有可能是無限的。這意味著它一開始也是無限的。只是密集許多。
這很難想像。無限就是這麼難搞。擁有無限的空間意味著什麼？無限的空間不斷膨脹意味著什麼？無限的空間如何變得更無限？
這一點我恐怕也幫不了各位。
想在有限的大腦中想像無限的空間，誠非易事。我只能說，在數學和物理中有一些方法可以處理無窮大，這些方法是有意義的，而且不會破壞任何東西。作為一名宇宙學家，我的工作基於這樣一個基本假設：宇宙可以用數學來描述，只要這套數學行得通，而且對解決新問題有用，我就會接受它。或者更準確地說，如果這套數學行得通，而一個稍微不同的假設（例如
宇宙不是那麼無限，但太大了，我們不可能感知到它的極限）同樣說得通，但對我們的經驗或我們可以以任何方式測量的任何東西沒有影響，那我們就可以暫時守著較簡單的假設。所以：無限的宇宙。這可以方便我們工作。
總之，當我們談到大霹靂理論的時候，我們真正想說的是：根據我們對當前膨脹及其歷史的觀察，我們可以得出結論，宇宙曾經有一度，不論何處，都比現在更熱且密度更大。這有時被稱為「熱大霹靂」，指的是宇宙熾熱稠密的整段時間跨度，我們現在知道這是從宇宙誕生0年到38萬年左右的這段時間。
我們甚至可以量化「熱稠密」的含義，並追溯宇宙的歷史，從我們現在享有的涼爽宜人的宇宙，推導出一個高壓鍋煉獄，那裡極端到粉碎了我們對物理定律的所有理解。但這不僅僅是一個理論練習。從數學上推斷膨脹，並推導出更高的壓力和溫度是一回事；直接看到這個煉獄宇宙（infernoverse）又是另一回事。
從大霹靂到現在
開始就暗示了結束，也需要結束。
――樂克（Ann Leckie），《輔助正義》（Ancillary Justice）
我很喜歡關於時間旅行的故事。我們當然可以輕易對時光機的物理原理吹毛求疵，或把出現的各種悖論一一列舉出來，但這個想法十分吸引人，即我們也許能找到一種方法，打開通往時間的大門，讓我們能知曉並干預過去和未來，讓我們擺脫這列失控的「現在」列車，無情地駛向某種未知的命運。線性時間似乎是如此受限，甚至是浪費—為什麼僅僅因為時鐘向前移動了幾格，我們就永遠失去了這些時間、所有這些可能性？我們可能已經習慣了嚴格的時序壓迫，但這並不意味著我們必須喜歡它。
幸運的是，宇宙學能幫上忙。當然，不是任何實際意義上的—我們在談一個相對深奧的物理學分支，它絕不可能讓你拿回昨天丟在火車上的雨傘。只不過雖然你的生活保持不變，但關於存在的其他一切都永遠改變了。
對宇宙學家來說，過去並不是遙不可及的失落境界。它是一個真實的地方，是宇宙中一個可觀測的區域，也是我們投入大部分工作時間的地方。我們只要安靜地坐在辦公桌前，就能觀察到數百萬甚至數十億年前天文事件的進展。這個技倆並不是宇宙學特有的，而是我們所處的宇宙結構所固有的。
歸根究底其實就是一句話：光的傳播需要時間。光速很快—大約每秒3億公尺—但仍然不是即發便至。在日常生活中，當你打開手電筒時，手電筒發出的光大約每奈秒（10-9秒）前進30公分，而你所照亮的物體反射回來的光線，需要同樣長的時間才能映入你的眼簾。事實上，不管你看的是什麼，你所看到的影像（其實只是物體反射的光進入你的眼睛）在送到你眼前時，都已經有點舊了。從你的角度來看，在咖啡館裡坐在你對面的人，已經是過去幾奈秒的人了，也許這多少解釋了他們留戀的表情和過時的時尚感。就你而言，你所看到的一切都已成為過去。如果你抬頭看月亮，你看到的其實是1秒多一點之前的月亮。你看到的太陽是8分鐘多前的。而你在夜空中看到的星辰，更是來自遙遠的過去，從幾年到幾千年不等。
你可能早就熟知這種光速延遲的概念，但其意義極為深遠。這意味著作為天文學家，我們只要觀察天空，就能看到宇宙從早期到今天的演變在眼前上演。我們在天文學中使用「光年」這個單位，不僅是因為它是便於使用的大數值（大約9.5兆公里），還因為它能告訴我們，光從我們所觀察的物體而來，行進了多久。從我們的角度來看，10光年外的恆星已經是10年前的事了。100億光年外的星系，已經是100億年前的事了。由於宇宙只有大約138億年的歷史，所以那個距離100億光年的星系，就可以告訴我們宇宙年輕時的狀況。從這個意義上說，凝望宇宙就等於凝望我們自己的過去。
對此有一個重要的警告，如果不提就是我的失職。嚴格來說，我們根本看不到自己的過去。光速延遲意味著物體距離越遠，它所身處的過去就越遙遠，而且這種關係是非常嚴謹的：我們不僅看不到自己的過去，也看不到那些遙遠星系的現在。距離越遠的東西，在宇宙時間線上的間隔就越大。
那麼，如果我們只看到其他星系很久以前、距離遙遠的過去，我們如何才能瞭解我們自己的過去呢？這就要說到一條原理了，因為對宇宙學太過核心，所以它乾脆被命名為宇宙學原理（cosmological principle）。簡而言之，這條原理指的是，就所有實際目的而言，宇宙在任何地方基本上都是相同的。顯然，這在人類尺度上是不正確的—地球表面與深太空或太陽中心當然大不相同—但在天文大尺度上，整個星系也只能算做一個無趣的斑點，那麼宇宙在各個方向上看起來當然都是一樣的，並且由相同的東西所組成。這想法與哥白尼原理（Copernican Principle）密切相關，哥白尼原理是哥白尼（Nicolaus Copernicus）在16世紀提出的觀念，曾被視為異端，即我們在宇宙中並不佔據「特殊位置」，而是某個可能隨機選到、再普通不過的位置。因此，當我們觀察一個10億光年外的星系，看到它在一個比我們現在的宇宙年輕10億年的宇宙中，並看到它們10億年前的樣子時，我們可以有十足的信心認為，10億年前的這裡，環境應該與它們是十分相似的。在某種程度上，這可以透過實際觀察來檢驗。對整個宇宙中星系分布的研究發現，宇宙學原理所暗示的均勻性，在我們所看到的任何地方都成立。
結果就是，如果我們想瞭解宇宙本身的演變，以及我們銀河系成長的環境，我們只需要觀察遙遠的東西。
這也意味著在宇宙學裡，並沒有定義明確的「現在」概念。或者更確切地說，你所經歷的「現在」，完全只是針對你、你正身處的地方、你正在做的事而言。如果我們現在看到一顆超新星（supernova）爆炸的亮光，看著它當場爆炸，但那束光其實已經行進了數百萬年，那麼「那顆超新星現在要爆炸了」這句話到底是什麼意思？我們所看到的東西本質上完全是過去的事情，但那顆爆炸恆星的「現在」，對我們來說是無法觀察到的，而且我們在數百萬年內都不會得到任何關於它的知識，這使得它對我們來說不是「現在」，而是未來。
當我們把宇宙想成存在於時空（spacetime）之中—一種蘊涵一切的宇宙網格，其中空間是三個軸，時間是第四個軸—我們可以將過去和未來，視為同一織面上的遙遠點，伸展橫跨宇宙的誕生到終點。對於落在這個織面上不同位置的人而言，對我們來說屬於未來的事件，對他們來說可能是遙遠的過去。而我們幾千年後才能看到的事件所發出的光（或任何訊息），「現在」正穿過時空流向我們。那麼這件事是發生在未來，還是過去，還是兩者皆是？這一切都取決於視角。
如果你習慣以3D世界來思考，這麼一想的確會讓人頭昏腦脹，不過對天文學家來說，非無限（noninfinite）的光速是非常有用的工具。這意味著我們不只可以尋找宇宙遙遠過去的線索—它的痕跡和殘餘物—更可以直接看著它，觀察宇宙隨著時間的變化。我們可以窺見才30億年的宇宙，在恆星形成的文藝復興時期，星系爆發出萬千光芒（如果不是藝術和哲學性的話），還可以看到這些光芒在隨後的宙（eon）中如何黯淡下去。我們甚至可以看得更遠，看到物質在不到5億年的宇宙中被捲進入超大黑洞，當時星光才剛開始穿透星系之間的黑暗。
不久之後，借助新的太空望遠鏡，我們將能夠觀察到宇宙中最早形成的一些星系—在宇宙只有幾億年歷史時形成的。但如果這些星系是第一批，那麼如果我們回顧得更遠的話會怎麼樣？我們能看得遠到還沒有星系的時候嗎？我們打算這麼做。現在正在建造的電波望遠鏡，也許能夠透過利用光和氫之間的偶然相互作用，來觀察誕生第一個星系的物質。透過直接觀察氫，這種有一天會變成恆星和星系的物質，我們可以觀察宇宙形成中的第一個結構。
但如果我們回顧得更遠呢？如果我們回顧到恆星、星系、氫氣存在之前的時代會怎麼樣？我們能看到大霹靂本身嗎？
是的，我們可以。
看見大霹靂
有一種流行的說法是把大霹靂描繪成某種爆炸—光和物質從一個點突然爆發，在宇宙中滾滾而出。其實不是這樣的。大霹靂不是宇宙內部的爆炸，而是宇宙本身的膨脹。它也不是在某一點發生，而是在每個點發生。今天宇宙空間中的每一點—遙遠星系邊緣的一處，另一個方向同樣遠的一塊星系間空間，你出生的房間—這些點中的每一個，在時間剛開始時都近得觸手可及，但就在那同一刻迅速拉開距離。
大霹靂理論的邏輯非常簡單。宇宙正在膨脹—我們可以看到星系之間的距離隨時間過去變得越來越大—這意味著星系之間的距離在過去更小。做個思想實驗，將我們現在看到的膨脹倒推回去，倒推個數十億年，總有一刻星系之間的距離必定為零。可觀測的宇宙，包含我們今天所能看到的一切，一定是包含在一個更小、更密集、更熱的空間內。但可觀測的宇宙只是我們現在所能看到的宇宙的一部分。我們知道太空遠不止於此。事實上，根據我們所知，宇宙的大小完全有可能是無限的。這意味著它一開始也是無限的。只是密集許多。
這很難想像。無限就是這麼難搞。擁有無限的空間意味著什麼？無限的空間不斷膨脹意味著什麼？無限的空間如何變得更無限？
這一點我恐怕也幫不了各位。
想在有限的大腦中想像無限的空間，誠非易事。我只能說，在數學和物理中有一些方法可以處理無窮大，這些方法是有意義的，而且不會破壞任何東西。作為一名宇宙學家，我的工作基於這樣一個基本假設：宇宙可以用數學來描述，只要這套數學行得通，而且對解決新問題有用，我就會接受它。或者更準確地說，如果這套數學行得通，而一個稍微不同的假設（例如
宇宙不是那麼無限，但太大了，我們不可能感知到它的極限）同樣說得通，但對我們的經驗或我們可以以任何方式測量的任何東西沒有影響，那我們就可以暫時守著較簡單的假設。所以：無限的宇宙。這可以方便我們工作。
總之，當我們談到大霹靂理論的時候，我們真正想說的是：根據我們對當前膨脹及其歷史的觀察，我們可以得出結論，宇宙曾經有一度，不論何處，都比現在更熱且密度更大。這有時被稱為「熱大霹靂」，指的是宇宙熾熱稠密的整段時間跨度，我們現在知道這是從宇宙誕生0年到38萬年左右的這段時間。
我們甚至可以量化「熱稠密」的含義，並追溯宇宙的歷史，從我們現在享有的涼爽宜人的宇宙，推導出一個高壓鍋煉獄，那裡極端到粉碎了我們對物理定律的所有理解。但這不僅僅是一個理論練習。從數學上推斷膨脹，並推導出更高的壓力和溫度是一回事；直接看到這個煉獄宇宙（infernoverse）又是另一回事。
