我們所在的宇宙是否有邊緣?

2020-12-06 天文在線

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就我們所知,宇宙沒有邊界。空間向四面八方無限延伸。此外,星系佔據了整個宇宙的空間。這個結論是通過邏輯上結合兩個觀察結果得出的。

公共領域圖片,來源:NASA/JPL-Caltech/ESO/Univ. of Michigan.

首先,我們能看到的宇宙部分在宇宙尺度上是均勻平坦的。宇宙的均勻性意味著星系群在宇宙尺度上分布得或多或少是均勻的。宇宙的平坦性意味著時空幾何在宇宙尺度上不是彎曲或扭曲的。這意味著宇宙不會像球體的表面那樣纏繞和連接自己,從而形成一個有限的宇宙。宇宙的平坦性實際上是宇宙均勻性的結果,因為集中的質量集合導致時空彎曲。

衛星、行星、恆星和星系都是質量集中的例子,因此它們確實會扭曲周圍區域的時空。然而,這些天體與宇宙的規模相比是十分小的,以至於它們引起的時空扭曲在宇宙尺度上可以忽略不計。如果你為了得到宇宙質量分布的大規模表達式而把宇宙中所有的衛星、行星、恆星和星系平均起來,你會發現它是常數。

第二個觀察結果是,我們所處的角落在宇宙中並不特殊,也沒有什麼不同。由於我們所能看到的宇宙部分是平坦而均勻的,並且我們所處的宇宙角落並不特殊,所以宇宙的所有部分都必須是平坦而均勻的。宇宙要想處處平坦一致,唯一的方法就是宇宙是無限的,沒有邊界。對於我們弱小的人類大腦來說,這個結論很難理解,但從科學觀察來看,這是最符合邏輯的結論。如果你永遠讓宇宙飛船在太空中直線飛行,你永遠不會到達一堵牆,一個邊界,一個邊緣,或者沒有星系群的區域。

但是,如果宇宙是在大爆炸中產生的,它怎麼會沒有邊緣呢?如果宇宙一開始的大小是有限的,難道它不應該仍然是有限的嗎?答案是宇宙一開始並不是有限的。宇宙大爆炸並不像桌子上的炸彈爆炸並膨脹到滿屋子都是碎片。宇宙大爆炸並非發生在宇宙的某一點。它同時發生在宇宙的任何地方。因此,宇宙大爆炸的殘餘,即宇宙微波背景輻射,在太空中無處不在。即使在今天,我們可以看到在宇宙的任何角落都有宇宙微波背景輻射。

宇宙的爆炸膨脹不是一個物理物體膨脹到太空的情況。相反,這是一個空間本身在膨脹的例子。宇宙最初是一個無限大的物體,後來發展成一個更大的無限大的物體。雖然人類很難理解無窮大,但它是一個完全正確的數學和科學概念。事實上,對於一個無限大小的實體來說,它的大小的增加在科學上是一個完全合理的概念。

要注意的是,人類只能看到整個宇宙的一部分。我們稱這部分為「可觀測宇宙」。因為光的傳播速度是有限的,所以光傳播一定的距離需要一定的時間。宇宙中的許多點離地球十分遠,以至於從這些點發出的光還沒有足夠的時間到達地球。由於光以儘可能快的速度傳播,這意味著沒有任何類型的信息或信號有時間從這些遙遠的點到達地球。這些地點目前基本上在我們的觀察範圍之外,即在我們可觀測的宇宙之外。宇宙中的每一個位置都有它自己的觀察範圍,超出這個範圍它就觀察不到了。由於我們可觀測的宇宙不是無限的,所以它有一個邊界線。

這並不是說在我們可觀測宇宙的邊緣有一堵能量牆或一個巨大的裂縫。這條邊界線只是簡單地標記了地球人目前能看到的位置和我們目前不能看到的位置之間的分界線。雖然我們所觀察到的宇宙有邊界線,但宇宙作為一個整體是無限的,沒有邊際。

隨著時間的推移,空間中越來越多的點有時間讓它們的光到達我們這裡。因此,我們可觀測的宇宙在不斷地變大。因此,你可能認為,在一段永恆的時間之後,整個宇宙將被人類觀測到。然而,有一個複雜的因素阻止了這點。宇宙本身仍在膨脹。雖然目前宇宙膨脹的速度沒有大爆炸時那麼快,但它同樣真實且重要。由於宇宙的膨脹,所有的星系群都在不斷地遠離彼此。許多星系離地球很遠,宇宙的膨脹使它們以比光速還快的速度遠離地球。

雖然狹義相對論阻止了兩個相近物體的相對速度超過光速,但它並不能阻止兩個遙遠的物體由於宇宙膨脹而以超過光速的速度彼此遠離。由於這些遙遠的星系正在以比光速還快的速度遠離地球,所以無論我們等多久,這些星系發出的光都不會到達我們這裡。因此,這些星系總是在我們可觀測的宇宙之外。另一種說法是,雖然可觀測宇宙的大小在增加,但實際宇宙的大小也在增加。可觀測宇宙的邊緣無法跟上宇宙的膨脹,以至於許多星系永遠在我們的觀測之外。儘管觀測能力有限,宇宙本身仍然沒有邊際。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. wtamu

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