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如果站在宇宙的边界,再踏出一步是哪里?科学家:这个问题无意义

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姿势分子knowledge 2021-01-24 20:20

最近,《自然-天文》杂志上发表了一篇由北京大学科维理天文与天体物理研究所江林华研究员和东京大学的Kashikawa Nobunari教授所领导的国际科学家团队取得的最新发现,他们找到了迄今为止最古老、也是距离我们最遥远的星系,那就是GN-z11,它和我们的距离大约是134亿光年。

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(图片说明:GN-z11星系)

考虑到宇宙只有大约138亿年的历史,我们几乎已经看到了宇宙的尽头。那么,我们的宇宙真的有尽头吗?从这个星系去看,宇宙的尽头会比地球上看更近吗?

“气球宇宙”

在思考这个问题的时候,有些人希望得到一个明确的答案和结果。他们会认为,宇宙应该存在一个非常明显的边界,就像是一个悬崖那么明显,而且越靠近它,越能感受到自己在走向边缘。

遗憾的是,这样的边缘到底是否真的存在,科学家表示很怀疑。

目前来说,很多科学家相信宇宙具有各向同性。这意味着,当我们把观测的尺度放大到2亿光年以上,不论朝哪个方向看,宇宙都是一样的。不仅如此,各向同性还意味着不论我们站在宇宙的哪个位置上进行这样的观测,也都是一样的。你可能觉得这个说法有点玄幻的色彩,但目前也有相当的观测证据给了我们证明。

换句话说,即使是你位于GN-z11星系,观测到的宇宙和地球也没什么区别。

如果是这样的,那么宇宙似乎是没有边界的,因为不存在一个所谓的边界让你站上去看到和我们不同的宇宙。

在解释这样的原理时,科学家们喜欢用气球上的蚂蚁来比喻。不论一只蚂蚁爬得多么远,它永远也爬不到气球的尽头,因为气球的球面的,没有边缘。换句话说,就像我们在地球上,也不可能走到世界尽头一样。即使沿着某个固定的方向一直走,最多也只不过是回到原点而已。由于没有边缘和外形,所以宇宙也不会有中心点,就像地表没有一个中心一样。

根据这个说法,我们的宇宙就是一个更高维度的气球,或者说是高纬度的球体,没有尽头。也许,当我们的科技足够先进,能够朝着宇宙的某个方向一直飞行的话,也会回到地球吧。

膨胀的宇宙

同样的,在解释宇宙膨胀时,科学家们也会利用气球模型来解释。

观测结果表明,我们的宇宙正在不断膨胀,就像一个正在充气的气球。当我们这群蚂蚁在宇宙气球的表面爬行时,会发现“气球”上的其他天体都在随着气球的膨胀而远离我们,并且越远的天体退行速度越快。而且,不论是在哪一只“蚂蚁”的位置上看,自己的位置都是不动的,而是感觉其他蚂蚁在远离自己,这也是各向同性的一种体现。

很多人会问:如果是这样的话,那么宇宙之外是什么?宇宙膨胀的空间从何而来?

如果你这样问,说明你又回到原来的套里了。我们说了,宇宙是没有边界的,何谈内外呢?正如霍金所说的那样,这个问题“毫无意义”,问宇宙的外面是什么就像问地球北极点的北面有什么一样。

而且,本质上说,这些天体远离我们不是因为它们运动的结果,而是同样来自于宇宙的膨胀,正因如此,这样的退行速度是不需要受到光速限制的。还是以蚂蚁和气球的例子来比喻,虽然一只蚂蚁的移动速度可能是有限的,但是如果这个气球膨胀得足够快,那么我们看见两只蚂蚁之间的距离增加速度超过它们本身移动的速度,也没什么难以理解的。

同样的道理,虽然各种天体不可能超越光速,但空间本身是可以超过光速的。根据目前的研究,虽然宇宙的年龄只有大约138亿年,但可观测宇宙在各个方向上都可以延伸460亿公里以上。在460亿光年以外并非没有宇宙空间和物质了,但那里的膨胀速度已经超过了光速,以至于它们放出的光无法抵达地球,所以我们无法看见。



澳大利亚墨尔本大学的理论天体物理学家Katie Mack博士才给我们提供了一种有趣的视角来看待宇宙的膨胀。她指出:由于宇宙的能量是固定的,所以我们也可以认为是宇宙在不断降低自己的密度,这种表现在我们的眼里就是空间的扩大。

而且,宇宙的膨胀速度并不固定。在大爆炸初期,宇宙还经历了一段暴胀期,其膨胀速度远远超过了我们现在的想象,也远远超过了光速。所幸这个暴期仅仅持续了不到10^-32秒,如果这个速度持续下去,我们的宇宙尺度将会比现在大10^23倍!

那么,这里还有一个问题需要讨论:如果宇宙真的是没有边界的,我们该如何证明呢?

无界宇宙的证明



当然,有一个方法很直接,就像当初麦哲伦环球航行证明了地球不是平面的一样,我们也可以朝宇宙的一个方向飞行,看能不能回到出发点。显然,我们目前的飞行器速度完全不可能支持这样的论证方式。

好在科学家还有其他的方法来分析,宇宙没有边界的特征之一,就是各向同性,因此我们可以论证宇宙到底是否具有这样的特征。

比较简单的方法,就是对不同方向上相同距离的天体退行速度进行观测,从而判断宇宙是否在各个方向上都有相同的膨胀速度。实际上,最近也有一些研究认为宇宙在这方面有可能表现出了各向异性,但目前更流行的说法,还是比较支持各向同性的。

(图片说明:宇宙大爆炸理论示意图)

此外,Mack博士还提出了另一种方法,她说:“我们可以在宇宙中找相同的点,这也是人们此刻在寻找的宇宙无限的证据……我们的空间可能是嵌入四维时空的三个维度。”

她所说的四维时空,指的是三维空间加上一个时间维度。如果我们能够在宇宙中找到一个两个一模一样的点,那就证明宇宙是无限的。这样的寻找也有可能是徒劳无功的,因为弦理论(虽然它本身也没有得到证实)认为,宇宙中存在更高的维度,不过都被“卷起来”了,因此我们未必能够发现。



总而言之,不论宇宙是不是无限的,我们都很可能找不到所谓的宇宙边界。或许,当我们能够看到更高的维度时,就能够更好地理解宇宙的形状了,不过对于目前的人类来说,这个要求不太可能达到了。

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