?180億還是11.5萬(wàn)億光年？宇宙邊界到底在哪？這篇文章講清楚了

諍聞軍事01-23 08:56

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如果你想去盡可能遠(yuǎn)的太空，你會(huì)遇到什么呢？你能走多遠(yuǎn)是有限制的嗎？還是可以旅行無(wú)限的距離？你最終會(huì)回到起點(diǎn)，還是會(huì)繼續(xù)穿越你以前從未遇到過(guò)的空間？換句話說(shuō)，宇宙有邊界嗎？如果有，它在哪里？

首先要記住的關(guān)鍵概念是，空間不是人們通常認(rèn)為的那樣。傳統(tǒng)上，我們認(rèn)為空間就像一個(gè)坐標(biāo)系--一個(gè)三維網(wǎng)格--其中兩點(diǎn)之間的最短距離是一條直線，這個(gè)距離不會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變。這些定義在日常生活中都是非常好的，但當(dāng)我們開(kāi)始關(guān)注我們星球以外的更大范圍的宇宙時(shí)，它們都會(huì)失敗。對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，一旦你開(kāi)始將質(zhì)量和能量量子引入宇宙，所謂兩點(diǎn)之間最短距離是一條直線的想法就是錯(cuò)誤的。

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因?yàn)闀r(shí)空受制于空間曲率，而物質(zhì)和能量的存在是導(dǎo)致空間彎曲的原因，所以?xún)牲c(diǎn)之間的最短距離本質(zhì)上取決于這兩點(diǎn)之間宇宙的形狀。除此之外，時(shí)空結(jié)構(gòu)本身并不會(huì)隨著時(shí)間的推移而保持靜止。在一個(gè)充滿物質(zhì)和能量的宇宙中，一個(gè)靜止不變的宇宙兩點(diǎn)距離本質(zhì)上是不存在的；宇宙必須通過(guò)膨脹或收縮來(lái)進(jìn)化。

從觀測(cè)上看，宇宙正在膨脹的證據(jù)是壓倒性的：這是對(duì)愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)的壯觀驗(yàn)證。但這給被宇宙距離隔開(kāi)的星體帶來(lái)了一系列后果，這意味著它們之間的距離會(huì)隨著時(shí)間的推移而擴(kuò)大。今天，我們能看到的最遠(yuǎn)的天體距離我們超過(guò)300億光年，盡管宇宙大爆炸才發(fā)生了138億年。

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經(jīng)典理論認(rèn)為，目前的宇宙包括：0.01%的光子形式的輻射；0.1%的中微子，一種難以捉摸的低質(zhì)量粒子，幾乎和光子一樣多；4.9%的正常物質(zhì)，主要由與我們相同的物質(zhì)組成：質(zhì)子、中子和電子；27%的暗物質(zhì)是一種未知物質(zhì)，它具有引力，但既不發(fā)光也不吸收光；還有68%的暗能量，這是太空固有的能量，會(huì)導(dǎo)致遙遠(yuǎn)的物體在遠(yuǎn)離我們的衰退中加速。大多數(shù)人認(rèn)為，如果宇宙自大爆炸以來(lái)已經(jīng)存在了138億年，那么我們可以看到的距離的極限將是138億光年，但這并不完全正確。

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只有當(dāng)宇宙是靜止的并且不膨脹時(shí)，這才是真的，但事實(shí)是這樣的：我們看得越遠(yuǎn)，遙遠(yuǎn)的星體看起來(lái)離我們?cè)娇?。?dāng)我們把所有可用的數(shù)據(jù)放在一起時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)可觀測(cè)的宇宙最遠(yuǎn)距離為：461億光年。然而，這個(gè)邊界在任何傳統(tǒng)意義上都不是宇宙的“邊緣”。它根本不是空間的邊界；如果我們碰巧位于空間的任何其他點(diǎn)，我們?nèi)匀荒軌蛱綔y(cè)和觀察以這個(gè)點(diǎn)為中心的461億光年球體內(nèi)我們周?chē)囊磺小?/span>

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這是因?yàn)椤斑吘墶笔菚r(shí)間的邊界，而不是空間的邊界。這一邊緣代表了我們所能看到的極限，因?yàn)樵谝粋€(gè)由廣義相對(duì)論支配的不斷膨脹的宇宙中，光速的限制也只能允許信號(hào)在宇宙138億年的歷史上傳播這么遠(yuǎn)。由于宇宙的膨脹，這個(gè)距離超過(guò)了138億光年，但它仍然是有限的。我們可以看到一些很久以前星體已經(jīng)發(fā)出的光，但永遠(yuǎn)看不到現(xiàn)在正在發(fā)出的光。180億光年之外的光信號(hào)，永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)我們身邊。

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類(lèi)似地，這意味著如果我們駕駛一艘接近光速的飛船上，可以抵達(dá)目前180億光年半徑內(nèi)的所有星體，即使宇宙繼續(xù)擴(kuò)大，這些距離也在繼續(xù)增加，但也能抵達(dá)。然而，超出該范圍的星體我們將永遠(yuǎn)無(wú)法到達(dá)。即使飛船一直向前飛行，但更遠(yuǎn)星體的后退速度也會(huì)比飛船更快，使我們永遠(yuǎn)無(wú)法造訪它們。在可觀測(cè)的宇宙中，有94%的星系是光速飛船永遠(yuǎn)不可能抵達(dá)的星域。

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那么我們不可見(jiàn)的宇宙，到底有多大？回答這個(gè)問(wèn)題的方法是基于我們?cè)谠噲D測(cè)量宇宙的空間曲率時(shí)所觀察到的東西的外推：空間在我們可能觀察到的最大尺度上的彎曲量。如果宇宙是正彎曲的，平行線將會(huì)聚，三角形的三個(gè)角之和將超過(guò)180度。如果宇宙是負(fù)彎曲的，平行線將會(huì)發(fā)散，三角形的三個(gè)角之和將小于180度。如果宇宙是平的，平行線將保持平行，所有三角形將精確包含180度。

基于這樣的理論，我們獲取所有信號(hào)中最遠(yuǎn)的光信號(hào)，比如大爆炸遺留下來(lái)的光。如果宇宙是正向或負(fù)向彎曲的，我們觀察到的波動(dòng)模式將最終扭曲，出現(xiàn)在更大或更小的角度尺度上，而不是平坦的宇宙。最終得出的結(jié)論是：宇宙接近于完美的平坦空間。如果它是彎曲的，它的水平不超過(guò)0.4%，這意味著宇宙像超球體一樣彎曲，它的半徑至少比我們可以觀察到的空間大250倍。

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如果你把宇宙的邊緣，定義為如果從地球開(kāi)始旅程，所能到達(dá)的最遠(yuǎn)的物體，那么目前的極限僅僅是180億光年的距離，僅包括我們可見(jiàn)宇宙體積的6%。如果你把它定義為我們可以觀察到的信號(hào)的極限，那么這個(gè)邊緣就會(huì)延伸到461億光年。但是如果你把它定義為不可見(jiàn)宇宙的極限，極限就是它的半徑至少是11.5萬(wàn)億光年，而且可能更大。然而，這并不一定意味著宇宙是無(wú)限的。它可以是平的，但仍然可以自己彎曲，數(shù)學(xué)上稱(chēng)為環(huán)狀的甜甜圈形狀。盡管可以觀察到的宇宙很大很廣闊，但它仍然是有限的，我們?nèi)匀徊恢烙钪娴慕K極真相。