宇宙在所有尺度上都充满了结构。但说实话，这一切都只是断断续续的虚无。（图片由 Cryhavoc 提供）最近，我一直在思考虚无。这不仅仅是因为关注“虚无”是一种有益的、冥想式的解药，可以抵消近期令人焦虑的新闻的轰炸，也是因为虚无是自然界中最常见的东西。毕竟，宇宙绝大多数不是恒星和行星；而是太空。但太空并非真的完全空无一物。这正是“虚无”有趣之处：有些地方的虚无比其他地方多得多，即使是最空旷的地方——你可以说，虚无最多的地方——仍然包含着某些东西。事实上，试图弄清那“某些东西”的本质是科学上最大的未解之谜之一。抱歉。过了一会儿，这一切听起来确实有点疯狂。我将退后一步，做一些解释。让我走上这条路的，是 Quora 网站上的一个问题：“如果我到太空去，打开一个罐子几秒钟，然后盖紧盖子，再回到我的厨房，罐子里会是什么？”这是一个很棒的思想实验。取一个罐子大小的宇宙不同部分的样本。你会发现什么？为了简化，我们把“罐子”设为一升的汽水瓶。这是一个熟悉的标准尺寸，而且很容易转换为其他单位。它相当于 1000 立方厘米，或 1/1000 立方米，或者比一个人一天应该喝的百事可乐还多。现在让我们开始分解这个问题。一升“空”空间里有什么？答案取决于你在哪里，差异很大。低地球轨道的空间与行星之间某个随机点的空间，以及星系之间的空间，都大不相同。要得出一个真正普遍的答案，我将做唯一明智的事情，那就是审视整个宇宙——也就是说，我们能看到的所有物质的平均密度。如果你对整个宇宙进行平均，那么总质量密度为 9.9 x 10^-30 克/立方厘米，相当于每立方米 5.9 个质子。请注意，我描述的是“质量”密度，而不是粒子密度。根据普朗克卫星的最新数据，其中只有 4.8% 是普通物质，主要是氢原子核（质子）。因此，平均而言，每立方米空间有 0.3 个原子。换句话说，如果你标记出宇宙中一个随机的立方米空间，你有 2/3 的几率里面没有任何原子。在你的一升瓶子里，平均有 0.0003 个原子，也就是说，你的瓶子是无原子的几率大约是 2999/3000。
最好赶紧把那个瓶子塞紧。你不想让任何宇宙跑出来。然后是黑暗的东西，那些占宇宙质量密度其他 95.2% 的看不见的实体。首先是暗物质。我们不知道它是什么。标准理论认为它是一种未知的粒子，但也有更奇特的可能性，包括改变引力的新型场。根据目前的解释，物质密度的 25.8% 是暗...物质。由于我们对暗物质粒子的质量一无所知（假设它们确实存在），我们唯一能说的是，平均而言，你的瓶子里大约有 2.6 x 10^-27 克的暗物质。接下来是暗能量。还记得我刚才说我们不知道暗物质是什么吗？嗯，我们 *真的* 不知道暗能量是什么。我们唯一知道的是，有一种能量弥散在太空中；天文学家知道它的存在，因为这种能量正在将宇宙推开，导致宇宙膨胀加速。奇怪的是，我们不知道它是什么，但我们却能非常精确地测量出它的量：占宇宙总密度的 69.4%。（能量和质量是等价的，遵循 e=mc^2 方程，而且暗能量如此之多，以至于它“抵消”了所有物质。）这意味着你的瓶子里大约有 6.9 x 10^-27 克的暗能量在潜伏。**但是等等，还有更多！**宇宙不仅仅是物质和质量。还有光粒子和其他形式的电磁辐射，统称为光子。事实上，有 *很多* 光子。每立方厘米大约有 450 个光子，你的瓶子里有 450,000 个。当我计算数字时，我觉得这很惊人。很可能，你的瓶子里一个原子都没有，但却有近五十万个光子。更令人惊奇的是，这些光子中的大多数并非来自星光。宇宙中绝大多数光子来自宇宙微波背景——138 亿年前大爆炸的残余辐射。尽管光子数量众多，但微波光子贡献的能量却微乎其微。将它们全部加起来，它们相当于原子质量的 1/1000。我们还有最后一个组成部分要讲，又是奇怪的一个。宇宙中充满了中微子，这些近乎惰性、近乎无质量的粒子能毫不费力地穿透普通物质。太阳会释放大量中微子；每秒钟大约有 100 万亿个中微子穿过你。再次取宇宙的*大平均值*，每立方厘米大约有 330 个中微子，你的瓶子里有 330,000 个。物理学家尚未能确定这些中微子的确切质量。我们唯一确定的就是它们的总质量非常小，小到不会明显影响星系和宇宙大尺度结构的任何可观测特性。所以，这就是你一升瓶子里的宇宙部分：一堆光子和中微子，加起来几乎算不上什么；一团暗能量；一团未知的暗物质；而且很可能没有原子。然而，这只是整个可见宇宙的*平均值*。如果我们回到离我们更近的地方呢？**我们拥挤的宇宙角落** 暗能量（可能）在任何地方都一样，所以无需重新计算。地球附近的暗物质密度非常难以测量；这里我也忽略它。但是，当离我们越近，物质密度就会急剧增加。行星之间的空间充满了太阳风，一股稳定的粒子流（主要是更多的质子——宇宙真的很喜欢质子）。在地球到太阳的距离上，太阳风的密度为每立方厘米 9 个质子，你的一升瓶子里有 9,000 个。即使忽略星际尘埃，“地球轨道附近的空旷”空间的物质密度也比宇宙平均密度高出 2500 万倍。来到低地球轨道，事情就变得更加拥挤了。在国际空间站运行的 400 公里（约 240 英里）高度，仍然有大量的稀薄大气在飘荡。那里的物质密度变化很大，但数量级是宇宙平均值的 10 亿亿倍。当你看到宇航员在轨道上进行太空行走的照片时，看起来他们确实是在真空中漂浮。但按照宇宙的标准，他们正在穿过一大堆大气原子。那里的非真空环境，实际上足够密集，以至于大气阻力不断将空间站拉低，需要定期进行轨道提升。这一切都是相对的。回到现在你所处的海平面，你需要再次进行显著的重新校准。地球大气层在地面上的密度约为每立方厘米 0.0012 克。这比低地球轨道的密度高出约一万亿倍。更重要的是，它比宇宙的平均物质密度高出 2 x 10^27 倍。你可以称之为二十八万亿亿倍，或者写出来：你呼吸的宇宙一部分，被浓缩了 2,000,000,000,000,000,000,000,000,000 倍。你的身体密度更是高出 1000 倍。如此极端的密度范围，赋予了宇宙秩序。遥远的星系间空间极低的密度，使得太空透明，让我们几乎可以看到宇宙膨胀的极限。而我们这里令人难以置信的高密度，则集中了足够的物质和能量来使生命成为可能。而导致这些巨大差异结构的组织因素本身就极其简单。那就是引力的作用，缓慢但无情地放大微小的肿块和团块。只要给引力足够的时间，这些团块就会变成行星、大气层，最终变成人类。*在 Twitter 上关注我，获取最新的科学新闻和发现*：@coreyspowell
宇宙的历史本质上是引力创造了被巨大稀疏空隙包围的密集物质团块。（图片来源：ESA）
