• 宇宙究竟有没有边界£¿

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    ¡¡¡¡利维坦按?#21512;?#19981;说宇宙的事£¬我?#25250;?#35828;?#21040;?#28857;儿的¡ª¡ª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¡ª¡ª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?#20445;©£空?#38382;题确实太难了……

    ¡¡¡¡文/Daniel Kolitz

    ¡¡¡¡译/燃料鼠

    ¡¡¡¡校对/?#21355;?#27963;

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

    ¡¡¡¡本文基于创作?#39184;?#21327;议£¨BY-NC£©£¬由燃料鼠在利维坦发布

    ¡¡¡¡文?#38470;?#20026;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¡¢?#23548;?#30340;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?#24247;?#25105;们讨论这个宇宙边界£¬它到?#36164;?#19968;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¡±?#25913;?#20013;£¬我们找来几位面向宇宙学的物理学家£¬希望?#36864;?#20204;一起?#19994;?#31572;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?#21592;还?#23519;的边界¡ª¡ª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?#35828;?#25105;们观看遥远的物体£¬我们?#24425;?#22312;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£©¡£?#27426;ø£?#36825;并不是通常所说的£¬看得见摸得着的¡°边界¡±¡£


    ¡¡¡¡图源£ºFutura-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?#19981;?#26159;没有起点或终点的¡£

    ¡¡¡¡?#27426;?#22312;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¡£¡±


    ¡¡¡¡图源£ºhssszn.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?#20174;?#36827;化¡£

    ¡¡¡¡

    ¡¡¡¡真?#25250;?#29983;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?#20146;?#25105;包围的£¬但仍然不存在边界¡£就像一个甜甜圈的那层表面£º它没有边缘¡£宇宙的样子可能?#36864;?#24456;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?#36824;?#27979;的边界之外£¬宇宙大爆炸以来产生的光甚至都?#24202;?#21450;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£º一个个星系的超?#37117;¯È海?#32780;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?#20146;?#25105;包围的£¬但仍然不存在边界¡£

    ¡¡¡¡就像一个甜甜圈的那层表面£º它没有边缘¡£

    ¡¡¡¡宇宙的样子可能?#36864;?#24456;像£¬但宇宙是三维的£¬

    ¡¡¡¡而甜甜圈的表面是二维的¡£¡±

    ¡¡¡¡

    ¡¡¡¡杰西¡¤?#27426;?#39039;£¨Jessie Shelton£©

    ¡¡¡¡伊利诺伊大学厄巴纳-香槟?#20013;?#29289;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?#28020;?#23431;宙边界¡±的定义到?#36164;?#20160;么¡£因为光的传播速度有限£¬当我们望向宇宙的更远处£¬?#24425;?#22312;回看时光的更深处¡ª¡ª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?#20581;?/strong>我们能看到古老的光线£¬?#24425;抢?#33258;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£©¡ª¡ª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£¬?#30452;?#31216;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¡£?#38405;?#19968;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?#21476;?#29699;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¡£


    ¡¡¡¡仙女座星系是一个螺旋星?#25285;?#36317;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?#25285;?#20197;外最近的星系¡£图源£º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¡ª¡ª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?#26085;?#22312;变得越来越快£¬那些光也许根本无法抵达这里¡ª¡ª但是£¬对此我们至少可?#22278;?#20010;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?#27426;à¡?#22240;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?#27426;?#30340;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£¬?#25250;?#21482;不过还有更多的宇宙罢了£¬更多的星?#25285;?#26356;多的星球£¬也许还有更多的生命体疑惑着同样的问题¡£

    ¡¡¡¡?#25353;?#26576;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¡ª¡ª这是指它不具有任何边缘¡£如果宇宙是¡°?#25945;?#29366;¡±的£¨类似纸张£©£¬或者¡°开放曲面状¡±的£¨类似马鞍£©¡ª¡ª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¡ª¡ª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?#26041;?#27704;远?#30001;?#19979;去£¬从那扇门开?#21152;?#36828;?#30001;še¨The Road goes ever on and on/Down from the door where it began£©¡£¡±不仅永远?#30001;še?#36824;周而?#35789;¼¡?/p>


    ¡¡¡¡图源£ºDaily Express

    ¡¡¡¡尽管宇宙的形态是无限的£¬但它仍然具有边界¡ª¡ª而?#19968;?#26377;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¡ª¡ª大概是每小时6.7亿英里¡ª¡ª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?#27426;?#26102;间才能到达我们的位置£¨也就是距离除以光速£©¡£?#27426;?#40635;?#36710;?#26159;£¬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?#27426;?#22686;加¡£

    ¡¡¡¡你可能等不及要问£¬如果宇宙诞生那一瞬间开?#21363;?#25773;的光终于到达了地球£¨大?#38469;?37亿年前的光£©£¬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?#37096;?#20197;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?#25250;?#30340;生命体?#37038;?#21602;£¿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£¬?#36864;?#36825;条信息可以永?#20040;?#25773;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¡£¡±


    ¡¡¡¡图源£ºASU 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?#25250;?#30340;样子¡ª¡ª而非此时此刻?#25250;?#30340;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?#25285;©£?#37027;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?#20581;?strong>而我们能观测到的尽头就是所谓可观测宇宙¡ª¡ª有时也被称为视界¡ª¡ª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£º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?#20013;?#25193;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?#25250;?#21457;生了什么¡£?#27426;ø£?#36890;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?#25285;?#25152;有这些空间看起来都像极了我们所在的宇宙空间£º充满星星¡¢星系¡¢星系的集?#28023;?#20197;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?#21592;?#22320;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£º

    ¡¡¡¡充满星星¡¢星系¡¢星系的集?#28023;?#20197;及大片大片的空白¡£¡±


    ¡¡¡¡图源£ºQuanta 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?#38469;?37亿年¡£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?#24425;?#24658;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?#38590;?#29289;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?#19994;?#19979;一个相对论£¡£©

    ¡¡¡¡从哈勃距离以外的光源所发出的£¬?#26131;?#32456;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?#36864;?#23431;宙存在任何边界¡¢尽头£¬它们的位置也?#23545;?#36229;过我们能观测到的范围¡£?#27604;?#20102;£¬¡°哈勃距离之外的什么地方也许存在着宇宙的尽头£¬尽?#20998;?#22806;到处是海怪£¬?#38381;?#31181;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?#26412;?#21248;£¬这?#24425;?#19968;个很奇怪的现象¡£


    ¡¡¡¡图源£ºNASA / 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£º也许宇宙根本就没有边?#25285;¬¾退?#26377;£¬这个边缘?#24425;?#22312;太过于遥远£¬即使经过了宇宙目前为止全部的寿命£¬从?#25250;?#21457;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?#37038;?#36825;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?#20998;?#22806;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?#26412;?#21248;£¬

    ¡¡¡¡这?#24425;?#19968;个很奇怪的现象¡£¡±

    特别声明£º本文为网易自媒体?#25945;¨¡?#32593;易号¡±作者上传并发布£¬仅代表该作者观点¡£网易仅提供信息发布?#25945;¨¡?/p>

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