?180億還是11.5萬億光年？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，你會遇到什么呢？你能走多遠(yuǎn)是有限制的嗎？還是可以旅行無限的距離？你最終會回到起點，還是會繼續(xù)穿越你以前從未遇到過的空間？換句話說，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)為空間就像一個坐標(biāo)系--一個三維網(wǎng)格--其中兩點之間的最短距離是一條直線，這個距離不會隨著時間的推移而改變。這些定義在日常生活中都是非常好的，但當(dāng)我們開始關(guān)注我們星球以外的更大范圍的宇宙時，它們都會失敗。對于初學(xué)者來說，一旦你開始將質(zhì)量和能量量子引入宇宙，所謂兩點之間最短距離是一條直線的想法就是錯誤的。

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因為時空受制于空間曲率，而物質(zhì)和能量的存在是導(dǎo)致空間彎曲的原因，所以兩點之間的最短距離本質(zhì)上取決于這兩點之間宇宙的形狀。除此之外，時空結(jié)構(gòu)本身并不會隨著時間的推移而保持靜止。在一個充滿物質(zhì)和能量的宇宙中，一個靜止不變的宇宙兩點距離本質(zhì)上是不存在的；宇宙必須通過膨脹或收縮來進(jìn)化。

從觀測上看，宇宙正在膨脹的證據(jù)是壓倒性的：這是對愛因斯坦預(yù)測的壯觀驗證。但這給被宇宙距離隔開的星體帶來了一系列后果，這意味著它們之間的距離會隨著時間的推移而擴(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，這才是真的，但事實是這樣的：我們看得越遠(yuǎn)，遙遠(yuǎn)的星體看起來離我們越快。當(dāng)我們把所有可用的數(shù)據(jù)放在一起時，我們可以發(fā)現(xiàn)可觀測的宇宙最遠(yuǎn)距離為：461億光年。然而，這個邊界在任何傳統(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，我們?nèi)匀荒軌蛱綔y和觀察以這個點為中心的461億光年球體內(nèi)我們周圍的一切。

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這是因為“邊緣”是時間的邊界，而不是空間的邊界。這一邊緣代表了我們所能看到的極限，因為在一個由廣義相對論支配的不斷膨脹的宇宙中，光速的限制也只能允許信號在宇宙138億年的歷史上傳播這么遠(yuǎn)。由于宇宙的膨脹，這個距離超過了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，永遠(yuǎn)不會到達(dá)我們身邊。

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類似地，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比飛船更快，使我們永遠(yuǎn)無法造訪它們。在可觀測的宇宙中，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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那么我們不可見的宇宙，到底有多大？回答這個問題的方法是基于我們在試圖測量宇宙的空間曲率時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，平行線將會聚，三角形的三個角之和將超過180度。如果宇宙是負(fù)彎曲的，平行線將會發(fā)散，三角形的三個角之和將小于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，我們獲取所有信號中最遠(yuǎn)的光信號，比如大爆炸遺留下來的光。如果宇宙是正向或負(fù)向彎曲的，我們觀察到的波動模式將最終扭曲，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，僅包括我們可見宇宙體積的6%。如果你把它定義為我們可以觀察到的信號的極限，那么這個邊緣就會延伸到461億光年。但是如果你把它定義為不可見宇宙的極限，極限就是它的半徑至少是11.5萬億光年，而且可能更大。然而，這并不一定意味著宇宙是無限的。它可以是平的，但仍然可以自己彎曲，數(shù)學(xué)上稱為環(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。