news 2026/4/28 13:14:55

定义宇宙比你想象的更难

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张小明

前端开发工程师

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定义宇宙比你想象的更难

宇宙的本质是什么?这个问题听上去似乎不值一提,根本无需费心深究。正如愤世嫉俗者会说的那样:“谁在乎呢?”

但事实上,理解宇宙的本质,与我们认知自我、找准自身在自然界中定位的过程息息相关。要明白这一点,不妨看看 16 世纪的人们是如何看待世界的。

在当时的认知里,地球是创世的中心,永恒静止。月球、行星、太阳、恒星等所有天体,都围绕地球转动。宇宙呈球形,结构如同洋葱般层层嵌套,且有明确的边界。在诸天球之外,是原动天—— 这个天球负责为内层诸天球提供运动的动力。原动天之外,便是最高天,那是上帝与诸神的居所,由纯粹的光构成。彼时的人类身处一个有限的球状宇宙中,世间万物有着清晰的纵向等级秩序。尘世生活的终极目标,就是为最终升入天堂铺平道路。换句话说,人们的生活与抱负,直接映射着宇宙的几何结构。

当然,这一切在哥白尼之后发生了改变。而开普勒、伽利略、笛卡尔与牛顿建立起日心宇宙体系后,人类的宇宙观更是发生了翻天覆地的变革。

尤其是牛顿,他打破了宇宙的有限性。他提出,只有无限的宇宙才能在引力作用下保持稳定,尽管这种稳定有时需要借助上帝的力量来维系。在无限的宇宙中,曾经支撑人类精神追求的纵向等级秩序彻底消失了。不过,牛顿宇宙观中的宇宙依然是静止的。空间仅仅是一个背景舞台,各种自然现象都在这个舞台上发生。

当时间来到爱因斯坦的时代,进入 20 世纪的宇宙学领域后,一切变得更为深奥微妙。空间与时间不再割裂,而是融合成了一个名为时空的整体。这个四维结构不再是简单的背景,而是具备了动态属性,会随物质与能量的分布情况发生变化。正是从爱因斯坦开始,时空拥有了可塑性。

研究宇宙,从此不再只是研究宇宙中存在的各类天体,更要研究宇宙本身。从真正意义上来说,宇宙与其所包含的万物之间,不再有清晰的界限。

说到这里,事情就变得有些令人困惑了。那么,我们该如何定义宇宙呢?一个初步的答案或许是:“宇宙是我们能够观测到的空间范围内,所有事物的集合。” 具体包含哪些事物?星系、恒星、行星、星系团、黑洞等。这些都是我们可以借助仪器探测,并能明确测定其质量、化学成分、速度、自转等物理属性的天体。天文学与天体物理学的研究核心,正是这类天体的集合。从这个最基础的定义层面来看,我们可以将宇宙理解为其内部所有天体的总和。

当然,宇宙中还存在一些我们能够观测到,却完全不了解其本质的事物。比如暗物质,这是一种性质未知的粒子,至今仍未被直接探测到,但它会对星系和星系团产生引力作用。还有暗能量,这种神秘的力正在加速宇宙的膨胀。此外,宇宙中还存在真空能,它与暗能量之间或许存在关联,或许毫无关系。而那些我们尚未观测到的事物,无疑也真实存在于宇宙之中。

如此说来,我们似乎可以列出一份长长的宇宙天体清单,并声称清单上的所有事物加起来就是宇宙。但这样的说法,是不是有些牵强?宇宙,绝不仅仅是它所包含的万物本身,对吧?

那么,宇宙究竟是什么?问题的难点在于,宇宙并非像恒星或星系那样,是一个可以被明确界定的 “物体”。我们能够测量一些定义宇宙属性的物理量,比如宇宙微波背景辐射的温度波动。这种辐射是宇宙大爆炸后约 40 万年,第一批原子形成时遗留下来的。我们还能测量宇宙的膨胀速率。但即便如此,这些测量对象也并非宇宙本身,而是宇宙中的事物。宇宙微波背景辐射就像浴缸里的水,而非浴缸本身。宇宙膨胀速率的测量,实际上是通过分析遥远星系光谱的红移现象得出的。而我们之所以推断这一现象与宇宙几何结构的膨胀有关,是因为爱因斯坦的广义相对论早已预言,整个宇宙的几何结构存在膨胀或收缩的可能性。

既然如此,我们口中的宇宙,难道只是爱因斯坦理论推导出来的一个方程解吗?其实也并非如此。因为要推导出这个方程,我们经历了一系列的处理。爱因斯坦的方程是对宇宙的建模,其目的是描述宇宙最显著的特征。这样我们才能建立起理论与观测之间的联系,用观测结果来验证理论。但我们永远不能将模型方程的解,与现实世界划上等号。

由此可见,宇宙更像是一个概念,而非一个具体的物体。

在日常表述中,我们习惯将 “宇宙” 一词等同于它所包含的万物,比如星系、宇宙微波背景辐射等。同时,我们也会将其等同于宇宙的几何结构,比如弯曲的、平坦的、静止的、膨胀的等。事实上,即便是在试图将宇宙起源建模为物理过程的理论领域,也就是所谓的量子宇宙学中,当我们计算一个特定宇宙从 “无” 中诞生的概率时,我们依然是将宇宙定义为一个拥有特定几何结构和物质组成的实体。

不同的几何结构和物质组成,对应着不同的模型宇宙。但这些模型,与真实的宇宙相差甚远。物理学是我们用来描述观测到的世界的工具。然而,有时我们会过于沉迷于理论,将这些本质上只是思维工具的模型,当成了真实的存在。

我知道这种说法听起来或许有些离经叛道,但在我看来,宇宙或许就是这样一种思维工具。

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