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路边的野餐与宇宙的盛宴
The following article is from 中国科学院理论物理研究所 Author 于王玮
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“为了寻找你我搬进鸟的眼睛经常盯着路过的风”
-《路边野餐》毕赣 2016[1]
2016年7月15日上映的《路边野餐》，讲述了主人公陈升在梦境中完成一个个执念的故事。导演毕赣在影片中不停地追问一个问题——如何让时光倒流？在影片中，导演独具匠心，采用时钟、风扇的倒转，火车的逆行，错乱的梦境，一步步地在影片中，时光倒流，让遗憾得到弥补。
图2 《路边野餐》陈升的诗集和贯穿影片的电风扇 -毕赣 2016[1]
《路边野餐》是陈升的诗集，蕴含着他的生活感受与对宇宙的认知。诗人的思维跳脱而又浪漫，和现实生活保持着若即若离的联系，这种恰恰好的距离，使得文学作品有着独特的魅力。
“冬天是十一月 十二月一月 二月 三月 四月当我的光曝在你身上重逢就是一间暗室”
-《路边野餐》毕赣 2016[1]
电影是光影的艺术，宇宙学也是光影的科学。毕赣在接受采访时说他并不是一个影迷，但他最喜欢的导演是安德烈·塔可夫斯基（Andrei Tarkovsky）。安德烈·塔可夫斯基在《雕刻时光》中写道：“以事实的形式与表现雕刻时光——这就是电影作为艺术最重要的理念。”[2]而光子作为宇宙的“胶片”，雕刻了宇宙的时光。
我们的可观测宇宙可以追溯至138亿年前的一次“热大爆炸”，宇宙这部电影的第一帧——“宇宙微波背景辐射”讲述了这个故事，这就是《三体》第一部中所提到的“宇宙为你闪烁”的那个2.7K。那个时候，宇宙大约是38万岁，在此之前宇宙的温度很高，里面的大量粒子，在这碗热汤里面煮沸，宇宙很粘稠，光子就像“打水漂”的小石子，打出去没多远就落入“热汤”中了。
图3 《飞向太空》中索拉里斯星球粘稠的表面 -安德烈·塔可夫斯基 1972[3]
当宇宙温度继续降低，“热汤”变得清澈，光子和其他物质开始脱耦合，在宇宙中自由地跑动，不会被其他物质半路拦截，打了一个很远的“水上漂”，得以传播到今天，被Planck等实验所观测到，形成了宇宙的第一帧，见下图4[4]。
拿到这张图之后，大家十分兴奋，但随之而来的是更多的不解。这张图太过“均匀”了，宇宙微波背景辐射不同方向的温度相较于背景温度只有十万分之一的差异[5]，宇宙到处都是2.7K。这相当于宇宙遥远一端的“外星人”，在没有和你事先商量好的情况下，今天和你穿了同样款式的衣服。宇宙给我们变了一个“魔术”，就像克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）在《致命魔术》里面那个贯穿影片的“空间瞬移”魔术一般。宇宙这端和宇宙那端如何在事先不商量好的情况下，在被拍下第一帧的时候具有无比接近的温度？
诺兰在影片中揭晓谜底时（魔术师其实是双胞胎，他们每天早上商量穿相同的衣服，晚上表演魔术，兄弟两人分享一段人生），展现了魔术师“欲戴其冠，必承其重”。宇宙只是给我们玩了一个“障眼法”，宇宙在极早期可能经历了一段加速膨胀过程，使得宇宙两端曾有机会互相打电话说“穿同一款衣服”，也就是说，那段加速膨胀的宇宙背景载着“穿同一款衣服”的信息走得比我们之前认为的更远。Alan Guth[6]，Andrei Linde[7]和 Alexei Starobinsky[8]揭穿了宇宙这个“魔术”，优雅地解释了传统“热大爆炸”理论中的这第一帧图像。
“命运布光的手为我支起了四十二架风车源源不断的自然宇宙来自于平衡附近的星球来自于回声”
-《路边野餐》毕赣 2016[1]
在“热大爆炸”的一声“呐喊”之后，宇宙开始用它的“回声”构建星空。不过此时，宇宙得打破它的平衡，即需要通过萨哈罗夫（Andrei Sakharov）的三个条件产生我们生活中的可见物质。第一个条件就是得有“净”产生这些物质的过程；第二个条件就是宇宙早期需要破坏一些对称性，使得产生和消耗这些物质的反应速率有不同；第三个条件就是要有脱离热平衡态的过程。这个过程使得我们生活中不会有《信条》（克里斯托弗·诺兰2020）中的剧情：道路上到处穿梭着的“反粒子”组成的人类（不过此时他们不会“倒着走”，因为他们本身就是“反粒子”，并没有经历逆熵），要不然此时你走路的时候还得需要提心吊胆，别一不小心撞到“反粒子”朋友而发生“湮灭”事故。
当氢、氦元素生成之后，由于此时宇宙温度很高，宇宙中的电子十分活泼，他们就像永远不知疲倦的、贪玩的小孩，无法安心地睡到自己的床上——被原子核束缚，填充进原子轨道。但随着宇宙慢慢地降温，电子也玩累了，伴随的是氢分子、氦分子的大量生成，由于没有足够多的电子拉着光子一起玩耍，光子就自由自在地在宇宙中游玩，形成了宇宙微波背景辐射。在这之后，氢分子、氦分子在宇宙“黑暗时期”太空漫游，此时第一批恒星还没有生成。慢慢地，它们开始受引力聚集，形成第一批恒星，然后继续受引力作用塌缩，经过“超新星爆炸”之类的过程，产生丰富的其他元素，并再次电离我们的宇宙，当回声传到我们这儿的时候，便形成了附近的星球。
天文学家们很热衷给不同的星球去拍“纪录片”，他们用最好的长焦镜头，希望记录下各种星球的“饮食男女”，如最近公布第一批照片的韦布望远镜，还有和《路边野餐》一样，同样浸润在贵州亚热带季风中的FAST天眼等。但天文学家们往往醉翁之意不在酒，他们想通过星球的拍摄，修复、还原出宇宙的影片。正如塔可夫斯基在《雕刻时光》中谈到，他拍摄《飞向太空》中水草时，其实是想去描绘水，但水是透明的，很难捕捉到水的动态之美，所以他通过水草去表现水：“电影中的节奏是透过镜头里可视物体的生命来传达的。根据河里水草的摆动可以判断出水流与水压，同样，时光的流动也意味着在镜头中流淌的生命过程本身。”[2]宇宙中也存在这样一种很难直接观测的成分，即暗能量。Adam Riess领导的实验组通过对超新星的观测，发现我们的宇宙目前正在加速膨胀，而解释这个现象最简洁优美的理论，则需要宇宙中存在一种负压强的能量，Adam Riess拾起当年“爱因斯坦的错误”（宇宙学常数项），捕捉到了暗能量的踪迹[9]。
除了暗能量之外，我们的宇宙中还存在着许许多多的其他组分。我们通过宇宙微波背景辐射、超新星和重子声学振荡等观测给宇宙、星星拍的“记录片”，并假设组分做“拼图游戏”。什么样的宇宙组分配比能够“重现”宇宙的行为？我们可以通过计算每一种配比的概率，去捕捉宇宙组分的踪迹。通过Planck观测[10]，可以得出，当前宇宙中大概有百分之七十的组分是暗能量，剩下的一大部分是看不见的暗物质，然后是我们平时看得见、摸得着的普通物质，最后才是光线这些辐射。这意味着，我们晚上仰望星空的时候，那些静谧的黑夜蕴藏的秘密要比闪烁的星星多得多。
黑夜蕴藏的秘密却远远不止于此，1823年德国天文学家奥伯斯（Olbers）在黑夜下踱步，心里却对“宇宙来自于平衡”念念不忘，而他的“必有回响”却让宇宙学家吓出一身冷汗。他发现，如果宇宙是恒稳态而且是无限的，星球均匀分布在其中，那么星球的发光随着它们离我们距离的减弱，和随着距离增加星球的个数增加的效应互相抵消，最后只有星球增加的效应，那么，无限的宇宙将给予我们永恒的光明，我们将看不到黑夜。
解决奥伯斯佯谬的关键在于“附近的星球来自回声”，宇宙“热大爆炸”理论认为宇宙不是恒稳态并且也不是无限的。奥伯斯佯谬佐证了宇宙“热大爆炸”理论。
“所有的转折隐藏在密集的鸟群中天空与海洋都无法察觉怀着美梦却可以看见”
-《路边野餐》毕赣 2016[1]
超新星和宇宙微波背景辐射观测都可以去做宇宙组分“拼图游戏”，但是它们在拼“当前宇宙膨胀速度”，即“哈勃常数”的时候，发现两个实验拼图给出的“哈勃常数”值是不相同的。超新星观测结果代表着我们对目前宇宙的了解，而宇宙微波背景辐射观测结果体现着我们对宇宙早期的认知。“哈勃常数”测量的差异，相当于是超新星观测告诉我们，宇宙目前身高一米七三，而Planck实验组经过身高换算，告诉我们宇宙目前身高一米六七。也就是说，我们可能对宇宙还不够了解，宇宙学“标准模型”需要得到扩展，我们可能误解了拼图的方式，找错了身高换算的公式，又或者在宇宙学观测手段、数据处理上有我们没有考虑到的因素，我们的拼图本身有点问题，尺子不是一个标准尺，这个问题被称为“哈勃常数危机”[11]。这个“危机”目前还悬而未决，宇宙等待着大家去回答这个问题。
在《路边野餐》影片的最后，陈升在如梦似醒时彷佛看见时光倒流，我们在研究宇宙的时候，“看”见的光，也许是来自138亿年前。在《路边野餐》最开始，导演第一个镜头采用了 J-Cut 剪辑方法，先进声音（咳嗽声），再进图像（电灯的闪烁）。宇宙也是一个电影大师，在宇宙微波背景辐射形成之前就产生了丰富的“声音”，宇宙也做了一个 J-Cut，让我们能“听见”比宇宙微波背景辐射形成时更早的引力波，听见宇宙最开始的呐喊。研究宇宙学，很大一部分内容是在研究宇宙的历史，在光影之间，我们在观测实验、理论推演和计算机模拟上跟随宇宙，一同时光倒流，一直倒流到趋近宇宙“热大爆炸”理论的奇点。
今年2月26日，是法国电影新浪潮大师弗朗索瓦·特吕弗（François Truffaut）导演九十岁的生日，在他的代表作《四百击》的最后，他拍摄了一个在海边奔跑的少年，在最后一个镜头中，迷茫的少年正对着我们，好像在说：“你一直在看我的故事，那么请告诉我现在该怎么做。”。我们研究宇宙，宇宙的未来又通向何处？前几年有研究表示宇宙的最终宿命可能是塌缩[12]，但是这也有待于进一步的探索、讨论。宇宙对我们来说，是一个迷茫的少年，最开始他/她是怎么成长的？我们充满疑问。最后他/她又会成为一个什么样的大人？我们也不知道。但是，我们能做的只是像这个少年一样，一直在海滩奔跑，一直向海滩奔跑。
参考文献
[1]. 毕赣《路边野餐》2016年7月15日上映[2]. 安德烈·塔可夫斯基 著 张晓东 译《雕刻时光》南海出版公司 2016年5月版[3]. 安德烈·塔可夫斯基《飞向太空》1972年3月20日上映[4]. Planck Collaboration, N. Aghanim (Orsay, IAS) et al. Planck 2018 results. I. Overview and the cosmological legacy of Planck e-Print: 1807.06205 [astro-ph.CO] DOI: 10.1051/0004-6361/201833880 (publication) Published in: Astron.Astrophys. 641 (2020), A1[5]. COBE Collaboration, George F. Smoot et al. Structure in the COBE differential microwave radiometer first year maps DOI: 10.1086/186504 Published in: Astrophys.J.Lett. 396 (1992), L1-L5, Astrophys.J. 396 (1992), L1-L5[6]. Alan H. Guth (SLAC) The Inflationary Universe: A Possible Solution to the Horizon and Flatness Problem DOI: 10.1103/PhysRevD.23.347 Published in: Phys.Rev.D 23 (1981), 347-356, Adv.Ser.Astrophys.Cosmol. 3 (1987), 139-148 (reprint)[7]. Andrei D. Linde (Lebedev Inst.) A New Inflationary Universe Scenario: A Possible Solution of the Horizon, Flatness, Homogeneity, Isotropy and Primordial Monopole Problems DOI: 10.1016/0370-2693(82)91219-9 Published in: Phys.Lett.B 108 (1982), 389-393, In *Moscow 1981, Proceedings, Quantum Gravity*, 185-195 and Moscow Inst. Phys. Acad. Sci. - 81-229 (81,REC.DEC.) 15p , Adv.Ser.Astrophys.Cosmol. 3 (1987), 149-153 (reprint)[8]. Alexei A. Starobinsky (Cambridge U. and Landau Inst.) A New Type of Isotropic Cosmological Models Without Singularity DOI: 10.1016/0370-2693(80)90670-X Published in: Phys.Lett.B 91 (1980), 99-102, Adv.Ser.Astrophys.Cosmol. 3 (1987), 130-133,[9]. Supernova Search Team, Adam G. Riess (UC, Berkeley, Astron. Dept.) et al. Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant e-Print: astro-ph/9805201 [astro-ph] DOI: 10.1086/300499 Published in: Astron.J. 116 (1998), 1009-1038[10]. Planck Collaboration, N. Aghanim (Orsay, IAS) et al. Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters e-Print: 1807.06209 [astro-ph.CO] DOI: 10.1051/0004-6361/201833910 (publication), 10.1051/0004-6361/201833910e (erratum) Published in: Astron.Astrophys. 641 (2020), A6, Astron.Astrophys. 652 (2021), C4 (erratum)[11].Eleonora Di Valentino (Durham U., IPPP), Olga Mena (Valencia U., IFIC), Supriya Pan (Presidency U., Kolkata), Luca Visinelli (Frascati), Weiqiang Yang (Liaoning Normal U.) et al. In the realm of the Hubble tension—a review of solutions e-Print: 2103.01183 [astro-ph.CO] DOI: 10.1088/1361-6382/ac086d Published in: Class.Quant.Grav. 38 (2021) 15, 153001[12]. Eleonora Di Valentino (Manchester U.), Alessandro Melchiorri (Rome U.), Joseph Silk (Oxford U. and Paris, Inst. Astrophys. and Johns Hopkins U.) Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology e-Print: 1911.02087 [astro-ph.CO] DOI: 10.1038/s41550-019-0906-9 Published in: Nature Astron. 4 (2019) 2, 196-203[13]. 弗朗索瓦·特吕弗《四百击》1959年6月3日上映作者简介 /Profile/
作者：于王玮，中科院理论物理研究所2020级博士研究生。
研究方向：引力与宇宙学。
导师：蔡荣根研究员。
本文经授权转载自微信公众号“中国科学院理论物理研究所”。
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