超越宇宙邊緣:跨越930億光年的旅程

2020-12-14 老胡說科學

人類的思想總是被未知的事物所吸引。好奇心一次又一次地點燃了探索的欲望。讓我帶你們進入這個宇宙的深淵,一個黑暗本身害怕存在的地方。

穿越宇宙不僅僅是穿越空間,也是穿越時間。在我們開始之前,讓我們先來看看一些事實。要找到這條邊,我們首先要知道宇宙的大小。我們的宇宙預計有137.72億年的歷史,非常古老。那麼我們的宇宙到底有多大呢?今天科學家估計它的寬度為28.5千兆Parsecs。為了了解它到底有多大,讓我們來看看天文單位的基礎知識。

1個單位的『Parsecs』有多大?

要理解parsec是如何定義的,首先應該知道天文單位(AU)是什麼。1au基本上是太陽到地球的平均距離(大約1.5億千米)。因此,parsec被定義為三角形的最長邊,其最短邊是1 AU並且在相對頂點處對著一個弧秒的角度。

簡單計算一下,1Parsecs= 3.26光年

那麼,光年是什麼?它是光在一年內走過的距離,大約是94.6萬億公裡。宇宙半徑是28.5千兆Parsecs,也就是930億光年,879780000000000000000000公裡。它是無法想像的巨大。這裡有一些小知識,地球上所有人類的DNA加起來的長度,如果被拉伸,將會有1190億光年長,但這是另一個故事了。

如果你仔細看,這裡的距離有點不對勁。眾所周知,光速是絕對最大速度。那麼,如果宇宙137億年了,為什麼宇宙的半徑是930億光年呢?從技術上講,如果一個物體在大爆炸之後以光速運動,那麼它現在應該已經走了137億光年,不多也不少。超過這個限度,所有的物質從何而來?

哈勃定律

它指出,在深太空中觀察到的物體被發現是紅移的。這是解決矛盾的關鍵。紅移,顧名思義,就是光的波長向光譜的紅端移動。增加光的波長。但是為什麼波長會擴大呢?可能有兩個原因,引力場或空間膨脹。

當我們說,宇宙在膨脹的時候,不僅僅是物體在互相遠離,空間本身也在膨脹!這就是一切瘋狂的地方:而且膨脹還在加速!人們認為暗物質和暗能量對這種行為有很強的影響。所以,當估算宇宙的寬度時,需要考慮由於空間膨脹而產生的額外距離。

所以,宇宙的邊緣顯然不在離地球130億光年的地方。估計遠不止這些!宇宙一開始就有邊緣嗎?也許吧,也許沒有。但是,我們當然可以探索如果有一個邊緣會是什麼樣子。沒有辦法準確地證明或反駁它。相反,我們能做的是推測。

人類能看到的最遠的天體是什麼?

仙女座星系距離地球約253萬光年。嚴格來說,它是夜空中肉眼能看到的最遠的物體。你看到的幾乎整個夜空都是恆星和銀河系的其他實體。

讓我們走得更遠,到離地球160億光年的地方。這標誌著當前宇宙的視界。到了宇宙邊緣了?還沒有。這個距離是到達我們的光的上限,如果它起源於今天的這個距離。這意味著,超過160億光年,空間的膨脹速度超過了光速。很明顯,光永遠無法到達我們,因為它必須穿過一個相對膨脹的空間。這也意味著,今天可能發生在宇宙視界之外的任何事件,無論發生什麼,我們都無法觀測到。

但是我們可以通過望遠鏡看到更遠的地方。

在離地球320億光年的地方,你會發現GN-z11,這是迄今為止觀測到的最遠的星系。這個距離的計算也考慮了空間的膨脹。我們主要觀察的是134億年前的結構。要知道,光是由這些結構發出的,在過去,當它們在宇宙事件視界內時,因此我們能夠看到它們。他們本質上是原始自我的幽靈。我們需要更進一步。我們能更進一步嗎?讓我們來看看。

我們觀察和探索宇宙最重要的方法之一就是分析光波或電磁波。很明顯,我們的觀測受到光的限制,光通過萬古太空到達地球。我們所尋求的答案可能隱藏在宇宙的遠古之光中。

光子起源的時代

要理解這一點,我們必須回到大爆炸發生後大約37.7萬年。它被稱為「重新組合」的時代,標誌著第一個中性氫原子的起源。那麼它有什麼特別之處呢?當這些原子形成時,它們的電子處於激發態,因此會立即失去能量,進入更穩定的狀態。那麼失去的能量呢?它們以光子的形式發射。這個時代還以光子解耦為標誌,光子起源於物質,可以在不受物質束縛的空間中自由移動。今天,130億年後,我們人類觀察到這些原始的光子作為宇宙微波背景輻射。有趣的是,這種輻射是均勻的,到處都是!不像星系或其他宇宙實體的輻射,我們無法確定它來自何處。

往前走,距離地球大約460億光年,我們到達了所謂的「最後散射的表面」。不管你看的方向是什麼,你都能觀察到。最後一次散射的表面就像一個均勻的霧球,宇宙微波背景輻射的第一個光子就是從這個霧球中經過重新組合和光子解耦而產生的。與名字相反,它是第一次散射光的起源,但也是我們能觀測到的最後一次。

這是宇宙的邊緣嗎?從技術上講,這是太空中最遠的點,也是我們能觀測到的最遠的時間點。這實際上形成了「可觀測宇宙」的邊緣。甚至在那之上的是所謂的「不透明宇宙」。

這標誌著我們所能觀察到的極限,而不是我們所能想像到的極限。現在讓我們甚至超越可觀測宇宙的邊緣。那裡可能存在什麼?一直以來,我們只探索了遙遠的過去太空中某一點上存在的東西。一個更難以想像的問題是,現在那裡可能存在什麼?

可觀測宇宙的邊緣也標誌著粒子視界,即人們能看到過去的最大距離。到目前為止,我們所看到的一切都是從保持地球在中心的角度出發,並隨著距離將時間縮放到過去。

想像一下,在當前的時間裡,你的星系間孿生兄弟相對於地球生活在粒子視界上。如果他朝地球看,他只會觀察宇宙微波背景輻射。這是否意味著宇宙又延伸到了460億光年?如果我們有星系間的三胞胎,他們能以某種方式瞬間相互溝通,那會怎樣?如果他們每個人都生活在各自可觀測宇宙的粒子視界上,他們會看到什麼?如果我們把兩個三胞胎放在粒子視界上完全相反的位置它們的粒子視界與地球相交。粒子視界的另一端也會與地球相交嗎?

在這一點上,有一個不可避免的問題要問。宇宙是無限的嗎?

要回答這個問題,我們必須參考我愛因斯坦的著作。這裡要說明的一個事實是,我們的宇宙出奇地平坦。從愛因斯坦的相對論,可以直接估計,一個平坦的宇宙一定是無限的。所以,問題就解決了嗎?因此宇宙沒有邊界和盡頭?不像你想的那樣。

我所說的「平」並不是你現在想像的那樣。是時候理解拓撲和幾何的區別了。最好也是最著名的解釋方法就是平行線。平坦的幾何結構具有完整的平行線,即使拓撲結構或它們在空間中的組織方式發生了變化。

正如天體物理學家保羅·薩特所解釋的,「拿出一張紙,上面有兩條平行線。把一端繞到另一端,形成一個圓柱體。仔細觀察平行線——它們仍然是平行的,不是嗎?那是因為圓柱體是平的。

你首先聽到的是:圓柱體是平的。

宇宙有一個平坦的幾何形狀,但有一個未知和不可預測的拓撲結構。宇宙均勻微波背景輻射的存在本身就說明了這一事實。即使如此,由於測量的各種不一致,我們也不能確定宇宙的不確定性。平坦的宇宙本身就存在與最初的大爆炸理論相矛盾的問題。如果宇宙現在是平的,那麼它從一開始就應該是平的,但事實似乎並非如此。這可以通過使用通貨膨脹的概念來解決,而通貨膨脹的概念又帶有它自己的推測。

我們有很多其他理論,比如多元宇宙和弦理論,來解釋我們所處的神奇領域。如果我們所處的一切只是一個外星人實體的模擬,或者更糟的是,一個外星人小孩隨機得到一個科學項目,我不會感到驚訝。說到底,我們還不能確定宇宙是有限的還是無限的,甚至不能確定宇宙是否存在盡頭。也許,這種不確定性中的確定性正是天文學真正令人驚訝的地方。有一件事是肯定的,宇宙邊緣之外的一切都是全能的上帝所知道的,人類永遠也不會發現,但是,人類將繼續探索這個虛無的深淵,希望有一天一切背後的真相會被發現。

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  • 宇宙年齡138億年,為何直徑卻有930億光年?
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