引言
一些科學家能夠以驚人的「手段」追蹤我們宇宙的演變。一百三十八億年前,宇宙有一個大爆炸,瞬息萬變之後,宇宙呈指數級增長,在短時間內稱為「通貨膨脹」。在隨後的時代,太空已經發展到巨大的規模,即:太空擴大。
但是,這怎麼可能呢?如果光速表示宇宙速度極限,那麼光子超出我們的時空,又將如何呢?如果它們存在,我們又怎麼知道它們存在呢?
擴大的宇宙
像物理學中的其他一樣,我們的宇宙,傾向於以最低能量狀態存在。但正如通脹宇宙學家所認為的那樣,在宇宙大爆炸後的10-36秒之後,宇宙處於虛假真空的能量,即:最低點。為了尋找真空能量的真實最低點,在一秒鐘之後,宇宙膨脹的係數為1050。
從那以後,宇宙繼續擴大,但速度較慢。我們從遠處物體的角度看到了這種擴張的證據,當恆星或星系釋放出的光子,遍布整個宇宙時,空間的拉伸使它們失去能量。
在時間和空間上,宇宙學家把紅移說成是距離函數。遠處物體發出的光線很長,所以,當我們終於看到它時,我們觀察到的物體可能是數十億年前的。備註:紅移是指物體的電磁輻射波長增加的現象,波長變長、頻率降低。紅移的現象,目前多用於天體的移動及規律的預測上。
哈勃的數量
光線的紅移,使我們能夠看到,遙遠過去星系的物體,但我們無法觀察到我們宇宙歷史中發生的所有事件。隨著我們空間的擴大,有些物體的光線離我們就不遠。
這個邊界的物理學,特別依賴於一個稱為哈勃體積的周圍時空。在地球上,我們通過測量所謂的哈勃參數(H0)來確定哈勃體積,哈勃參數(H0)是一個將遙遠物體的散射速度與其紅移相關聯的值。這是埃德溫哈勃於1929年首次計算出來的,它發現遙遠的星系正在以與光線紅移成比例的速度離開我們。
紅移的兩個來源:都卜勒和宇宙學擴張。底部:探測器捕捉中央恆星發出的光,這個光線隨著空間的擴大而被拉伸或移位。
將光的速度除以H0,即可得到哈勃體積。這個球形氣泡覆蓋了一個區域,其中,所有物體以低於光速的速度從中央觀察者移除。因此,哈勃體外的所有物體都比光速更快地離開中心。
「比光速快」, 這怎麼可能?
這個問題的答案與狹義相對論和廣義相對論之間的區別有關。狹義相對論,需要所謂的「慣性參照系」,或者如果更簡單,則需要背景。根據這個理論,所有慣性系統中的光速都是相同的。如果觀察者坐在地球公園的長椅上,或者以驚人的速度從海王星上起飛,對他來說,光速始終是相同的。
然而,廣義相對論則描述了時空本身的結構。而這個慣性框架的理論是沒有提及的,在任何超出其極限的範圍,這個空間內都不會擴大,所以光線相對於觀察者的極限速度是行不通的。是的,哈勃球外的星系比光速更快地離開我們,但是星系本身並不能克服空間限制。對於一個這樣星系中的觀察者來說,沒有什麼能打破狹義相對論。這個空間,正在加速並成倍地擴展。
觀察到的宇宙
也許下一個會讓你大吃一驚:哈勃的體積和可觀察的宇宙是不一樣的。
為了理解這一點,考慮到,當宇宙變老時,遙遠的光線需要更長的時間,才能到達我們地球上的探測器。我們可以看到物體已經超出了目前的哈勃體積,因為我們今天所看到的光線是在球體內部釋放出來的。
嚴格地說,我們可觀測的宇宙與粒子視界的東西重合。粒子的視界,標記著我們可以在這個時間點觀察到最遠光的距離,即:光子有足夠的時間呆在裡面,或趕上哈勃溫和擴張的球體。
觀察到的宇宙,從技術上,我們稱為粒子視界
那距離呢?在任何方向上,它超過46億光年,我們可觀察到的宇宙直徑約為970億光年。
粒子視界(也稱為宇宙學視界,漫反射的視界(在多德爾森的文本中)或宇宙光線視界)是粒子在宇宙年齡裡到達觀測者的最大距離。 換句話說,粒子視界是處理與宇宙物體的距離問題。
黑暗的能量
由於宇宙的膨脹,即使我們無限期地等待,直到它們的光線到達我們時,但我們也永遠不會看到宇宙的某些區域。而那些位於我們現代哈勃體積之外的區域呢?如果這個球體也膨脹了,我們可以看到這些邊界物體嗎?
這取決於哪個區域的擴張速度快慢。這個問題的答案取決於兩件事:1)H0增加或減少; 2)宇宙加速或減速。這兩個速度是密切相關的,但並不相同。
事實上,宇宙學家認為,在H0減少的時候,但由於黑暗的能量,宇宙的膨脹速度卻在增長。
這看起來似乎不合邏輯,但只要H0比宇宙膨脹速度增長更慢的速率,以這種速率下降時,那麼我們星系的整體運動就會繼續加速。因此,儘管哈勃的體積在擴大,但暗能量的影響,對可觀測宇宙的擴展形成了嚴格的限制。
結語
宇宙學家對深層次的問題感到困惑,比如,未來的宇宙將會是什麼樣子?以及宇宙的擴張將如何改變?但最終,科學家們只能根據今天對宇宙的理解和猜測來尋找這些問題的答案。宇宙學的時間框架,是如此無法想像的龐大,以至於無法對未來宇宙的行為,進行具體的說明。儘管現代模型,出人意料地符合現代數據,但實際上,也許我們中沒有人可以看到預測是否會實現,因為畢竟人的年齡有限。總之,這個命題是一個假設,科學問題不能妄自下結論。