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宇宙究竟有没有边界?

2019-3-9 19:46| 发布者: 小白兔| 查看: 127| 评论: 0

摘要: 利维坦按:先不说宇宙的事,我们来说说近点儿的——地球。我们现在都知道地球是圆的,而不是几百年上千年前人们所认为的平面。但即便是在哥伦布发现了新大陆,麦哲伦在地球上走了一圈之后的现在,依旧有不少人相信地 ...

纪录片部落-纪录片从业者门户:宇宙究竟有没有边界?

利维坦按:先不说宇宙的事,我们来说说近点儿的——地球。我们现在都知道地球是圆的,而不是几百年上千年前人们所认为的平面。但即便是在哥伦布发现了新大陆,麦哲伦在地球上走了一圈之后的现在,依旧有不少人相信地球是平的。国际地平说学会至今仍存在于世,有着大概500个会员。


而在标题所示的这个问题上,我们依旧面临着类似的分歧——宇宙是什么形状的(环状的还是圆的)?又是否会有边界(想象一下地球的“有限无界”)?这问题确实太难了……



文/Daniel Kolitz

译/燃料鼠

校对/何里活

原文/gizmodo.com/whats-at-the-edge-of-the-universe-1832646812

本文基于创作共同协议(BY-NC),由燃料鼠在利维坦发布

文章仅为作者观点,未必代表利维坦立场



都2019年了,单纯把火箭发射到外太空已经不再能满足人们的幻想,人类对于探索宇宙边界的情绪正在变成一种急迫的期待,而那些日常琐事,比如坏天气、拥挤的地铁,或者担心一下自己的大腿会不会发生癌变,无聊的地球生活正在催生热血的太空梦。


但是在宇宙的边界,到底有什么东西在等着你呢?当我们讨论这个宇宙边界,它到底是一种边界线呢,还是一个大到无法想象的天花板呢?或者,无论是边缘还是天花板,它真的存在吗?在本周的“Giz问答”栏目中,我们找来几位面向宇宙学的物理学家,希望和他们一起找到答案。


肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)

加州理工学院物理系研究教授,他的研究的领域包括量子机械学、引力、宇宙学、统计力学以及基础物理学。


据我们所知,宇宙不存在边界。宇宙倒是有一个可以被观察的边界——也就是说,我们能看多远是有极限的。这是因为光具有一个有限传播速度(1光年/年),因此当我们观看遥远的物体,我们也是在回看古老的时空。而所谓极限就是,我们几乎能看到将近140亿年之前发生的事情,也就是宇宙大爆炸残余的辐射。这就是从四面八方包围着我们的宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background)。然而,这并不是通常所说的,看得见摸得着的“边界”。


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图源:Futura-Sciences


因为我们可观察到的范围有限,所以我们还无法确定在可观测宇宙(Observable Universe)之外宇宙空间的样子。在我们可见的范围内,宇宙空间的状态非常均衡,也许在几乎接近永恒的时光中,它将继续保持这副样子。宇宙的样子要么是像一个三维的球体,要么是像一个三维的面包圈那样包裹起来。如果这一点是正确的,宇宙的总体积就是有限的,但它仍然不存在边界,就像一个圆环是没有起点或终点的。


然而在我们可见的范围以外,宇宙可能并不是均衡的,在不同的位置其状态可能大相径庭。这一可能性就是宇宙学中的多重宇宙论(Multiverse)。我们并不确定多重宇宙是否存在,但正因为我们无论如何都无法用肉眼观测,对这一概念保持开放的心态还是比较理智的。


“因为我们可观察到的范围有限,

因此我们也无法确定在我们可观察的宇宙之外事物的样貌。

我们可见的宇宙的状态非常均衡,

也许在几乎接近永恒的时光中,

它都将继续保持这副样子。”


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图源:hssszn.com


乔·邓克利(Jo Dunkley)

普林斯顿大学物理与天体物理学教授,她的研究领域包括宇宙的起源与进化。


真是老生常谈,又不得不谈的问题!


好吧,我们并不认为宇宙存在一个特定边界。我们认为宇宙要么是向四面八方无限延展的,要么它是自我包围的,但仍然不存在边界。就像一个甜甜圈的那层表面:它没有边缘。宇宙的样子可能和它很像,但宇宙是三维的,而甜甜圈的表面是二维的。所谓没有边界,意味着你可以向宇宙的任意方向发射一枚火箭,如果你在宇宙中前进得足够久,最终你会回到起点。


关于边界还有一个概念是可观测宇宙,指的是我们能用肉眼看到的宇宙空间。在这一可被观测的边界之外,宇宙大爆炸以来产生的光甚至都来不及到达我们所在的位置。而这一边界只是我们能看到范围的极限,在边界以外的宇宙,也许正如我们周围能看到的宇宙:一个个星系的超级集群,而且每一个星系中都包含数十亿颗恒星、行星。


“我们认为宇宙要么是向四面八方无限延展的,

要么它是自我包围的,但仍然不存在边界。

就像一个甜甜圈的那层表面:它没有边缘。

宇宙的样子可能和它很像,但宇宙是三维的,

而甜甜圈的表面是二维的。”


杰西·谢尔顿(Jessie Shelton)

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校物理与天文学助理教授,她的研究包括天体物理学以及宇宙学。


这个话题的内容取决于你对“宇宙边界”的定义到底是什么。因为光的传播速度有限,当我们望向宇宙的更远处,也是在回看时光的更深处——哪怕当我们看着隔壁星系仙女星座,我们看到的也不是此时此刻它的样貌,而是250万年前的情况,那时仙女星座中恒星发出的光,直到今天才被我们的望远镜看到。我们能看到古老的光线,也是来自最遥远的远方,所以从某种意义上讲,所谓宇宙的边界,就是当最古老的光线到达我们时,我们所看到的景象。


这就是存在于宇宙空间中的宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background)——那是宇宙大爆炸留下的微弱余晖,标志着宇宙从那时起已经冷却到足以形成原子。我们肉眼所及的这个极限,又被称为临界最后散射面(Surface of Last Scattering),它标志着光子最初从粒子之间的空隙流出的那个时刻。自那一瞬间起,光子不再是电离状态的高热等离子体,只能在电子与电子之间像乒乓球那样弹跳。而在那一瞬间之后,这些光子传播了数十亿光年终于到达地球。因此,你可以说宇宙的边界就是临界最后散射面。


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仙女座星系是一个螺旋星系,距离地球大约250万光年,是除麦哲伦云(地球所在的银河系的伴星系)以外最近的星系。图源:维基


那么此时此刻,宇宙的边界有些什么东西?对此我们并不知道——我们也无法知道,我们必须等到那些地方发出光来,然后经历数十亿年后终于抵达我们所在的位置,由于宇宙扩张的速度正在变得越来越快,那些光也许根本无法抵达这里——但是,对此我们至少可以猜个大概。


如果用最宏大的尺度观看,我们无论向宇宙的任何方向观察,所看到的景象都差不多。因此,如果你在地球人的可观测宇宙的边界,向边界的另一边望去,你所见到的景象,很可能就是一个和我们已知宇宙差不多的又一个宇宙,每个方向都充满了大大小小的星系。因此,对于“宇宙边缘有什么”的最佳猜测也很简单,那里只不过还有更多的宇宙罢了,更多的星系,更多的星球,也许还有更多的生命体疑惑着同样的问题。


“从某种意义上讲,

所谓宇宙的边界,

就是当最古老的光线到达我们时,

我们眼中所看到的景象。”


迈克尔·特罗克塞(Michael Troxel)

杜克大学物理系助理教授,他的研究范围包括观测宇宙学及理论宇宙学。


尽管宇宙很可能在大小上是无限的,但它可能有不止一个“边界”。


我们认为宇宙是无限的——这是指它不具有任何边缘。如果宇宙是“平坦状”的(类似纸张),或者“开放曲面状”的(类似马鞍)——正如我们以高百分比精度所测量的那样,那么它就是无穷大的。如果宇宙是“闭合状”的,那么它就不是无穷大的。


但无论其外观如何,如果你沿着宇宙的一个方向前进得足够远,你最终会回到起点——关于这一点,可以想象是在一个球体的表面运动。就像霍比特人比尔博·巴金斯(Bilbo Baggins)的那两句歌词中唱的,“这条路将永远延伸下去,从那扇门开始永远延伸(The Road goes ever on and on/Down from the door where it began)。”不仅永远延伸,还周而复始。


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图源:Daily Express


尽管宇宙的形态是无限的,但它仍然具有边界——而且还有两个边界。由于广义相对论指出宇宙中所有物质(包括光)的速度都有上限——大概是每小时6.7亿英里——而且宇宙任意一点的物质都具有同样的极限速度。根据我们的观测,宇宙正在向每一个方向扩张,而且随着时间推移,其扩张速度还在增加。


这些事实意味着,当我们观察一个非常遥远的物体时,来自这一物体的光需要花费一定时间才能到达我们的位置(也就是距离除以光速)然而麻烦的是,就在这些光线传播时,宇宙也在不停扩张,因此这些光线为了接触到我们所必须穿越的距离其实在不断增加。


你可能等不及要问,如果宇宙诞生那一瞬间开始传播的光终于到达了地球(大约是137亿年前的光),我们能观测到的来自最遥远地方的物体是什么东西?那是距离我们大约470亿光年以外的事物(1光年的长度是地球与太阳之间距离的大约63241倍),它被称为“宇宙视界(Comoving Horizon)”。所谓边界是什么,你也可以稍微改变一下问法,得到另一个答案。如果我们以光速发出一条信息,那这条信息最远可以传播到哪里的星球上,被那里的生命体接收呢?这个问题将更加有趣,因为未来宇宙的扩张速度将越来越快(而不是像过去那样曾经减慢过)


结论是,就算这条信息可以永久传播下去,它最远也只能触及到此时此刻距离我们160光年以外的生命体。相比之下,我们肉眼可见最远的行星大约不过2.5万光年以外,目前我们还有机会向宇宙中那些疑似有外星人的地方打个招呼。目前人类的探测望远镜已确认最遥远的星系与我们相距大约133亿光年,所以我们还无法看到任何“宇宙边界”的样子,也没有人确切知道任何一处边界有什么。


“如果你沿着宇宙的一个方向前进得足够远,

你最终会回到起点。”


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图源:ASU Events


阿比盖尔·维雷格(Abigail Vieregg)

芝加哥大学卡夫利宇宙物理学研究所助理教授。


我们可以借助地球上的望远镜看到宇宙深处传来的光线。光源距离我们越远,光线触及我们所需的时间也就越久。因此,当你看着极其遥远的地方,你所见到的是那束光诞生之时那里的样子——而非此时此刻那里的模样。观测得越来越遥远,相应地,也就是回溯得越来越久远,直到你终于观测到一个尽头,那个地方大约诞生于宇宙大爆炸发生后几百上千年之后。在宇宙大爆炸之前,宇宙又热又浓稠(那时还没有星星或者星系),那时宇宙中的光只是到处弹射,无法被我们今天的望远镜观测到。而我们能观测到的尽头就是所谓可观测宇宙——有时也被称为视界——因为我们无法看到这一边界之外有什么。随着时间推移,这一边界也在变化。


如果你站在宇宙中任意一个行星上观察宇宙,你所见到的宇宙也许和我们从地球上看到的宇宙大同小异:在宇宙中,视界之所以有极限,其根本是因为宇宙大爆炸开始至今,消逝的时光是有限的,而光的传播速度同样有限,另外,宇宙整体也在持续扩张中。


就在此时此刻,如果以地球为中心,宇宙视界的边缘看起来是什么模样?遗憾的是,对此我们一无所知,因为我们只能看到宇宙大爆炸不久后视界边缘发生了什么,而无法看到此时此刻那里发生了什么。然而,通过观测所有我们能探测到的宇宙空间,包括可观测宇宙的边缘,所有这些空间看起来都像极了我们所在的宇宙空间:充满星星、星系、星系的集群,以及大片大片的空白。


我们认为宇宙的整体比我们周围这个恰好可以被地球人观测到的宇宙空间要大得多,而且宇宙本身不存在“边界”。宇宙只不过是时间和空间,它每时每刻都在消逝、扩张。


“通过观测所有我们能探测到的宇宙空间,

包括可观测宇宙的边缘在内,

所有这些空间看起来像极了我们所在的宇宙空间:

充满星星、星系、星系的集群,以及大片大片的空白。”


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图源:Quanta Magazine


亚瑟·B·科索斯基(Arthur B. Kosowsky)

匹兹堡大学物理系教授,他的研究领域包括宇宙学及相关的理论物理学。


宇宙最基本的属性之一就是它的年龄,通过各种测量手段我们目前判断大约是137亿年。因为我们还确定光的传播速度是不变的,也就意味着在宇宙诞生之初的一束光直至今天所穿越的距离也是恒定的,这被称为“视界距离(Horizon Distance)”或者“哈勃距离(Hubble Distance)”。原则上,由于没有哪样物质的速度能超越光的传播速度,因此哈勃距离就是我们所能观测到最远的距离。(除非人类能找到下一个相对论!)


从哈勃距离以外的光源所发出的,且最终触及我们的光,就是所谓的宇宙微波背景。据我们所知,即使在哈勃距离之外,宇宙微波背景的源头也并非宇宙的“尽头”。因此,我们通常会假设宇宙比起我们可观测到的所谓哈勃体积(Hubble Volume)要大得多,而且就算宇宙存在任何边界、尽头,它们的位置也远远超过我们能观测到的范围。当然了,“哈勃距离之外的什么地方也许存在着宇宙的尽头,尽头之外到处是海怪,”这种鬼话想想也知道是不可能的。不过我们所观测到的所有宇宙空间看上去都很相似,而且相当均匀,这也是一个很奇怪的现象。


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图源:NASA / Hubble团队


总而言之,对于宇宙边缘的问题我们也许永远找不到一个好答案:也许宇宙根本就没有边缘,就算有,这个边缘也实在太过于遥远,即使经过了宇宙目前为止全部的寿命,从那里发出的光还没到达我们所在的位置。我们还是努力搞清楚目前能观测到的这一部分宇宙吧,目前人类也不得不接受这一局限了。


“‘哈勃距离之外的什么地方也许存在着宇宙的尽头,

尽头之外到处是海怪,’

这种鬼话想想也知道是不可能的。

不过我们所观测到的所有宇宙空间看上去都很相似,

而且相当均匀,

这也是一个很奇怪的现象。”



——别走,此处有赠书——


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