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我们所在的宇宙是否有边缘?

2020-03-26来源:美食小小课堂

就我们所知,宇宙没有边界。空间向四面八方无限延伸。此外,星系占据了整个宇宙的空间。这个结论是通过逻辑上结合两个观察结果得出的。

我们所在的宇宙是否有边缘?

公共领域图片,来源:NASA/JPL-Caltech/ESO/Univ. of Michigan.

首先,我们能看到的宇宙部分在宇宙尺度上是均匀平坦的。宇宙的均匀性意味着星系群在宇宙尺度上分布得或多或少是均匀的。宇宙的平坦性意味着时空几何在宇宙尺度上不是弯曲或扭曲的。这意味着宇宙不会像球体的表面那样缠绕和连接自己,从而形成一个有限的宇宙。宇宙的平坦性实际上是宇宙均匀性的结果,因为集中的质量集合导致时空弯曲。

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卫星、行星、恒星和星系都是质量集中的例子,因此它们确实会扭曲周围区域的时空。然而,这些天体与宇宙的规模相比是十分小的,以至于它们引起的时空扭曲在宇宙尺度上可以忽略不计。如果你为了得到宇宙质量分布的大规模表达式而把宇宙中所有的卫星、行星、恒星和星系平均起来,你会发现它是常数。

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第二个观察结果是,我们所处的角落在宇宙中并不特殊,也没有什么不同。由于我们所能看到的宇宙部分是平坦而均匀的,并且我们所处的宇宙角落并不特殊,所以宇宙的所有部分都必须是平坦而均匀的。宇宙要想处处平坦一致,唯一的方法就是宇宙是无限的,没有边界。对于我们弱小的人类大脑来说,这个结论很难理解,但从科学观察来看,这是最符合逻辑的结论。如果你永远让宇宙飞船在太空中直线飞行,你永远不会到达一堵墙,一个边界,一个边缘,或者没有星系群的区域。

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但是,如果宇宙是在大爆炸中产生的,它怎么会没有边缘呢?如果宇宙一开始的大小是有限的,难道它不应该仍然是有限的吗?答案是宇宙一开始并不是有限的。宇宙大爆炸并不像桌子上的炸弹爆炸并膨胀到满屋子都是碎片。宇宙大爆炸并非发生在宇宙的某一点。它同时发生在宇宙的任何地方。因此,宇宙大爆炸的残余,即宇宙微波背景辐射,在太空中无处不在。即使在今天,我们可以看到在宇宙的任何角落都有宇宙微波背景辐射。

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宇宙的爆炸膨胀不是一个物理物体膨胀到太空的情况。相反,这是一个空间本身在膨胀的例子。宇宙最初是一个无限大的物体,后来发展成一个更大的无限大的物体。虽然人类很难理解无穷大,但它是一个完全正确的数学和科学概念。事实上,对于一个无限大小的实体来说,它的大小的增加在科学上是一个完全合理的概念。

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要注意的是,人类只能看到整个宇宙的一部分。我们称这部分为“可观测宇宙”。因为光的传播速度是有限的,所以光传播一定的距离需要一定的时间。宇宙中的许多点离地球十分远,以至于从这些点发出的光还没有足够的时间到达地球。由于光以尽可能快的速度传播,这意味着没有任何类型的信息或信号有时间从这些遥远的点到达地球。这些地点目前基本上在我们的观察范围之外,即在我们可观测的宇宙之外。宇宙中的每一个位置都有它自己的观察范围,超出这个范围它就观察不到了。由于我们可观测的宇宙不是无限的,所以它有一个边界线。

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这并不是说在我们可观测宇宙的边缘有一堵能量墙或一个巨大的裂缝。这条边界线只是简单地标记了地球人目前能看到的位置和我们目前不能看到的位置之间的分界线。虽然我们所观察到的宇宙有边界线,但宇宙作为一个整体是无限的,没有边际。

随着时间的推移,空间中越来越多的点有时间让它们的光到达我们这里。因此,我们可观测的宇宙在不断地变大。因此,你可能认为,在一段永恒的时间之后,整个宇宙将被人类观测到。然而,有一个复杂的因素阻止了这点。宇宙本身仍在膨胀。虽然目前宇宙膨胀的速度没有大爆炸时那么快,但它同样真实且重要。由于宇宙的膨胀,所有的星系群都在不断地远离彼此。许多星系离地球很远,宇宙的膨胀使它们以比光速还快的速度远离地球。

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虽然狭义相对论阻止了两个相近物体的相对速度超过光速,但它并不能阻止两个遥远的物体由于宇宙膨胀而以超过光速的速度彼此远离。由于这些遥远的星系正在以比光速还快的速度远离地球,所以无论我们等多久,这些星系发出的光都不会到达我们这里。因此,这些星系总是在我们可观测的宇宙之外。另一种说法是,虽然可观测宇宙的大小在增加,但实际宇宙的大小也在增加。可观测宇宙的边缘无法跟上宇宙的膨胀,以至于许多星系永远在我们的观测之外。尽管观测能力有限,宇宙本身仍然没有边际。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. wtamu

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