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有答案了吗?困扰天文学家多年的问题:宇宙之外还有什么?

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你好科普 2021-09-25 07:10

我们穿衣服,衣服分正反,拿起包包要装东西,这个包包也是分内外。在我们生活中,所有我们看得见也摸得着的东西,都有正面和反面,所有容器都会有里面和外面。但这世界上有一个例外是没有内外之分,也没有正面反面的,那就是我们所生存着的——宇宙

现在的人们经常用宇宙来表示地球大气层以外的广袤空间,我们对这片空间知之甚少,甚至现在人类造物能到达的最远距离,也不过是刚刚离开了太阳系而已

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人类对宇宙的研究仅限于观察,使用光学望远镜能看到所有能将光线传递到地球上的天体,使用射电望远镜能探测到所有天体发出的不可见电磁波,甚至我们还可以通过人造卫星探测器收集宇宙的微波背景辐射

无论用哪个方法,我们都无法真真正正地看到宇宙的外面,人类可观测宇宙直径只有930亿光年,在观测宇宙以外,肯定还有很大的空间,但是我们根本看不到,所以再往前走会不会有宇宙的边界,我们也无法知晓。

关于宇宙外面的猜测

了解一个事物或现象的最好办法就是观察,人类就是通过观察和实验来认识宇宙的种种未知,当我们永远无法观察到一个现象的时候,我们能做的就只有根据现有条件进行推测

首先我们大家应该都十分熟悉一个宇宙诞生的理论——宇宙大爆炸理论,在这个理论中宇宙原本是一个质量无限大,体积无限小的奇点,有一天这个小点被自己的压力压得撑不住了,于是就爆炸开来了

在奇点爆炸之前,没有任何活动的物质,物质没有变化,自然时间也就不会存在,因为时间实际上是我们感知到物质变化后才会产生的概念

在爆炸之后,极短的时间内宇宙就已经产生了巨大的变化,此时宇宙的直径已经膨胀了许多,膨胀后,在强大的能量冲击下,开始出现无数正反物质

理论上正反物质都是成对出现的,所有正反物质碰撞在一起可以还原成原本的能量,但因为一点意外,导致正反物质存在数量更多一些,于是形成了现在这个在我们眼中以物质为主导的宇宙环境。

大爆炸发生后,宇宙的温度开始下降,由能量转化而成的正反物质开始向周围扩散宇宙的范围在渐渐扩大

多元宇宙理论

在我们的观念中,世界上所有的现象都应该是可以重复出现的,既然有一个奇点可以通过爆炸演变成我们现在的宇宙,那么在宇宙之外,就应该会有另一个甚至无数个奇点在不停地反复地爆炸

于是这无数爆炸开来的奇点就形成一个个宇宙,这些宇宙可能会与我们现在的宇宙完全不一样,甚至可能会有完全不同的物理规则,当然也有可能与我们一模一样

但是多元宇宙实际上并不能合理解释宇宙之外有什么,因为这实际上只是一种套娃式的答案,最终无法避免的我们还需要研究“多元宇宙的外面有什么”这个问题

  • 有限无边界理论

有科学家认为,宇宙的大小和质量是有限的,但它不会拥有边界。这个说法相对来说比较难以理解。

简单来说,就是当初宇宙大爆炸的方向是三百六十度无死角的,于是物质就像吹泡泡一样,以奇点为圆心,以一个球体一样的形态向外扩张,打个比方——大概就和吹气球差不多吧。

其实我们所居住的地球也可以近似地看成一个有限大小没有边界的存在,我们从地球任意一点上出发,沿着一个方向前进,最终我们会在一次环球旅行后回到原点。这个所谓的无边界理论大概就是这个意思,但问题是,地球实际上是有边界的,边界就在大气层之上

一个不断膨胀的气球同样也是有边界的气球表面再往上走,就是宇宙的边界。那么在这个不膨胀的宇宙中,哪个方向才是往上呢?没有人能够解答这个问题。

  • 膜宇宙理论

在著名的超弦理论和M理论中关于宇宙存在形态的解释有一个分支,这就是膜宇宙学,膜宇宙理论认为,我们所存在的宇宙实际上就像一颗珠子一般,被镶嵌在一张更高维度的膜上面

对于这张膜而言,我们的宇宙仅仅是它的基本粒子而已,所以在这张膜中,还同时存在着无数个与我们宇宙差不多甚至一样的三维宇宙

这个实际上就是多元宇宙理论的升级版,唯一不同的是,所有宇宙是在一个更高维度的空间中共存,而不是在同一个三维空间中共存。在膜宇宙中,如果我们能够突破宇宙的边界,就能进入更高的维度世界中

宇宙的外面究竟有什么?

根据科学家的观测,认为宇宙的寿命应该为137.3亿年左右。但是从我们观测到的直径930亿光年的可观测宇宙,我们可以很快得出一个结论,那就是宇宙的扩散速度超过光速

但我们又知道有质量的粒子和物质是永远无法达到光速,更不用说超越光速,之所以宇宙扩张的速度比光速快,其实是因为,实际上并不是宇宙的物质在以超光速远离我们,而是天体之间的空间正在以极快的速度在扩张

在爱因斯坦的广义相对论中,宇宙的空间不平直可以扭曲和拉扯的。比如太阳附近的空间,就被太阳自身的重量压得弯曲变形。

这变形的空间就像是一张绷直的被单被石头压得陷进去一样,其他物体在进入这个凹陷时,由于所有物体与太阳之间都会有一个相对速度

于是这些物体就会沿着凹陷内壁,围绕着凹陷中心的太阳,一直旋转运动着,因为宇宙空间的摩擦力几乎可以忽略不计,所以太阳周围的行星能够一直旋转几十上百亿年都不会掉到凹陷中心去。

原本空间都是平直的,但空间只要有是物质的存在,周围的空间就会弯曲,而宇宙大爆炸让物质出现,同时也让空间变得弯弯曲曲

所以首先我们可以得到一个答案,那就是在宇宙爆炸产生的物质还没有到达的空间,如果有空间的话,那么这一片空间起码是平直的

如果没有空间,那答案就更简单了,这将说明,宇宙是有边界的,而宇宙内所有的物质都无法穿越这个边界,即便宇宙物质的扩散可能会让边界后退,但边界依旧会存在

世界被划分为有物质的空间边界背后无物质无空间这两个世界,那么我们只能说宇宙的外面什么都没有,甚至可以说宇宙没有外面,因为我们无法理解一个没有空间和物质的世界是什么样的。

当然科学家们还是比较倾向于宇宙的外面是有空间的,当物质扩散到这些平直的空间时,宇宙就会变得扭曲。

前文所描述的宇宙正在以超越光的速度膨胀,就是因为拥有物质的宇宙空间的被扭曲了,连续不断的扭曲让宇宙外围的物质看上去离我们越来越远了

总而言之,现在我们可以得出两个结论,要么宇宙外面什么都没有,要么宇宙只有一片平直的没有物质的空间。

视界的存在

实际上,研究宇宙的外面有什么,意义并不大,因为我们无法有效能够观测到的宇宙也就只有半径465亿光年的一个大圆球

更远一些的宇宙,由于空间扭曲和膨胀,465亿光年以外的物质远离我们的速度已经超越光速,它们的发射出来的光已经无法到达我们这里了,所以我们根本无法用任何办法看或者感知到这个范围以外的事物。

于是视界就形成了,实际上比起宇宙那个不一定存在也不知道以什么形式存在的边界,视界更像是专属于我们的宇宙边界

在我们附近发生的所有事情,都不会影响到视界以外的宇宙,原因很简单,就连信息都传不进来,在可观测宇宙以外的物质对我们而言相当于不存在

信息一般是以光速传播的,而物质永远无法超越光速,所以看不到的世界,无法影响我们,我们也无法影响到他们。

视界的存在,同时也阻挡着我们对宇宙边界的研究,无论我们如何猜测宇宙边界的存在形式,我们也永远无法通过观测或其他任何手段验证这些猜测,无法验证的观点将永远都是不确定的观点。

因为世界,我们无法研究宇宙的真正起源和宇宙的存在形式,而这些问题没有答案,将会成为我们物理学发展的最大阻碍。

如何突破视界?

我们人类一向都十分擅长观察现象,然后利用现象的原理改善我们现有的技术。所以在这里我们可以开个脑洞,既然视界以外的宇宙是因为物质扭曲空间再加上空间膨胀才做到超越光速的现象。那么只要我们能够研究出扭曲空间的技术,是否就意味着我们也能达到看上去超越光速的效果

而扭曲空间目前我们所知道的就只有使用大质量将其压到扭曲,会不会存在别的方式可以扭曲空间?比如一张绷直的被单也不是只能被石头压出个凹陷,它还可以用夹子将平直的被单夹地扭曲变形呀。

这个脑洞实际上就是曲率飞船的大致原理,当然以人类现在的技术是不可能实现空间扭曲这个功能的,曲率飞船也只能存在于科幻小说之中而已,但这个脑洞的存在,还是能让不少人感觉到一丝希望。也许未来的某一天,人类将能突破视界,到达宇宙边界,亲眼看看宇宙边界到底是什么样子的。

结语

其实思考和研究宇宙起源与宇宙边界可能存在的状态都是需要十分庞大的知识储备。否则就只是一种胡思乱想而已,比起猜想我们更应该做的是多点学习现有的知识,然后再有的放矢,使用这些知识来研究这些未知的现象。

宇宙起源与宇宙边界实际上是同一个问题,如果能获得答案,我们就能准确理解物质的存在形式和未来宇宙的发展方向,这是需要科学家们付出努力去研究的。

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