宇宙是否有邊緣，整個(gè)宇宙有極限嗎？科學(xué)家給出了答案

我們的國(guó)家有邊緣，我們的地球有邊緣，太陽(yáng)系有邊緣，甚至整個(gè)星系也有邊緣。那么宇宙是否有邊緣呢?作為人類，我們很想知道宇宙是否有邊緣?整個(gè)宇宙是否有極限?

那么天文學(xué)家能給出答案嗎?很遺憾，他們也給不了確切的答案。

雖然沒(méi)有確切的答案，但科學(xué)家一直在嘗試了解宇宙是如何運(yùn)行的，以及它是否有邊緣。

2016年，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向大熊星座的一片黑暗的天空，它捕捉到了一個(gè)模糊的光點(diǎn)。這束光來(lái)自一個(gè)名為Gn-z11的遙遠(yuǎn)星系，這是我們觀測(cè)到的最遙遠(yuǎn)的星系。

但這是宇宙的邊緣嗎?

我們周圍的宇宙充滿了星系，所以我們很自然地會(huì)說(shuō)：“會(huì)有最后一個(gè)星系嗎?如果我們能夠旅行到那個(gè)星系，向著我們認(rèn)為是空無(wú)一物的宇宙空間望去，會(huì)看到什么呢?”

這是個(gè)很難回答的問(wèn)題，因?yàn)槲覀兡芸吹降木嚯x是有限的，這一切都?xì)w結(jié)于光速和宇宙的年齡。光的傳播速度非常非常快，但不是無(wú)限快。

從人的肉眼觀察，光的旅行似乎根本不需要時(shí)間。你打開(kāi)窗簾，光線充滿整個(gè)房間。但在浩瀚的宇宙中，光從一個(gè)地方到另一個(gè)地方是需要時(shí)間的。即使是約1億5000萬(wàn)公里遠(yuǎn)的太陽(yáng)，光也需要8分鐘才能到達(dá)我們地球。

當(dāng)你看星星的時(shí)候，我們開(kāi)始用光年來(lái)測(cè)量距離，因?yàn)楣鈴哪切┬切堑轿覀冞@里需要很多年。當(dāng)你觀察星系時(shí)，你所觀察的星系有數(shù)百萬(wàn)或數(shù)十億光年遠(yuǎn)。

當(dāng)我們看到Gn-z11星系發(fā)出的光時(shí)，我們看到的是134億年前發(fā)出的光。

目前我們找不到比這更遠(yuǎn)的星系。因?yàn)橛钪嬷挥?38億年的歷史，而星系的形成需要一定的時(shí)間，所以我們將不會(huì)發(fā)現(xiàn)比這個(gè)更遠(yuǎn)的星系了。

也許還有比這個(gè)星系更遠(yuǎn)的星系，但是在宇宙的年齡時(shí)間內(nèi)，光是不可能到達(dá)我們這里的。這意味著我們所能看到的宇宙的邊緣，存在一個(gè)嚴(yán)格的限制，就是由宇宙的年齡所決定。

Gn-z11是在宇宙大爆炸后的4億年形成的，在那之前，沒(méi)有發(fā)光的星星，只有非常非常熱的氣體，這些氣體形成了一個(gè)殼，外層是宇宙微波背景輻射。它是宇宙中最古老的光，是宇宙誕生和大爆炸的回聲。

我們能看到的最遠(yuǎn)的東西這就是宇宙微波背景，我們稱之為可觀測(cè)宇宙的邊緣，所以我們有一個(gè)可觀測(cè)的宇宙，但在這外面，即使有東西存在，我們也不可能看到它們，因?yàn)楣獾浆F(xiàn)在還不可能到達(dá)我們這里。

顧名思義，可觀測(cè)宇宙就是我們能看到的宇宙的一部分。你可以想象有一個(gè)聚光燈，以地球?yàn)橹行南蛩闹苷丈洌覀冎荒芸吹骄酃鉄舻倪吘壎荒芸吹礁h(yuǎn)的地方。

但隨著地球的移動(dòng)，可觀測(cè)宇宙也會(huì)隨著移動(dòng)。對(duì)于生活在 Gn-z11 星系的外星人來(lái)說(shuō)，可以觀測(cè)到宇宙中完全不同的部分。這個(gè)遙遠(yuǎn)的星系在我們可觀測(cè)宇宙的邊緣，我們也在他們可觀測(cè)宇宙的邊緣。

【空間的膨脹】

當(dāng)天文學(xué)家使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡精確測(cè)Gn-z11的距離時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了令人震驚的事情：它距離地球有320億光年遠(yuǎn)，比想象的要遠(yuǎn)三倍。

既然沒(méi)有東西能比光速更快，我們測(cè)量到這個(gè)星系的距離，它怎么可能會(huì)在320億光年之外呢?其實(shí)之所以會(huì)這樣，是因?yàn)槲覀兊挠钪姘l(fā)生了一些奇怪的事情——宇宙膨脹。

138億年前，一個(gè)純能量迸發(fā)出生命，我們稱之為宇宙大爆炸——空間和時(shí)間被向四面八方推開(kāi)。從那以后，我們的宇宙一直在膨脹。宇宙擴(kuò)張方式使我們尋找宇宙邊緣，成為了一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

宇宙在不斷膨脹，并根據(jù)一個(gè)非常簡(jiǎn)單的定律膨脹：星系離我們?cè)竭h(yuǎn)，它離開(kāi)我們的速度也越快。我們發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的星系，Gn-z11似乎在短短134億年的時(shí)間里就移動(dòng)了320億光年。

這比光速還快，而且，我們測(cè)量了很多星系，發(fā)現(xiàn)很多很多星系都在以比光速還快的速度遠(yuǎn)離我們。

這聽(tīng)起來(lái)似乎是違背常理的。我們都知道，相對(duì)論的觀點(diǎn)是，任何有質(zhì)量的物體不可能超光速移動(dòng)。光速是宇宙中所有有質(zhì)量物體的極限。那么為什么遙遠(yuǎn)的星系以超過(guò)光速的速度遠(yuǎn)離我們呢?

其實(shí)，它們之所以能夠以超過(guò)光速的速度遠(yuǎn)離我們，是因?yàn)榭臻g在膨脹。相對(duì)論適用于一切有質(zhì)量的物質(zhì)，而并不適用于空間。空間可以以任何它想要的速度膨脹。

理解膨脹定律的簡(jiǎn)單方法是，想象你站在一塊無(wú)限延伸的橡膠板上，一直延伸到很遠(yuǎn)的地方，但你一直站在同一個(gè)地方，你可以在上面標(biāo)個(gè)“X”。

現(xiàn)在，這塊橡膠板向各個(gè)方向延展，如果它延展速度為2倍。假設(shè)有一個(gè)星系，在離你1米的距離，現(xiàn)在變成了2米。而另一個(gè)星系離你10米遠(yuǎn)，把它擴(kuò)大2倍，它就離你20米遠(yuǎn)了。

所以在相同的時(shí)間內(nèi)，一個(gè)星系移動(dòng)了1米，而另一個(gè)星系移動(dòng)了10米。

事實(shí)上，你與各星系都在原地沒(méi)有移動(dòng)，是空間的膨脹讓你與星系遠(yuǎn)離。

所以，宇宙膨脹意味著，我們的可觀測(cè)宇宙向各個(gè)方向延伸了460億光年，橫跨920億光年，而且每秒鐘都在變大。

想象你是一名跑道上的短跑運(yùn)動(dòng)員，如果你跑向終點(diǎn)線，可能會(huì)花上幾秒鐘的時(shí)間，但是現(xiàn)在想象終點(diǎn)線正在遠(yuǎn)離你，如果它以比你跑得更快的速度離開(kāi)你，你永遠(yuǎn)也到不了終點(diǎn)。

這就是我們?cè)谶@里看到的宇宙，在一定距離之外，星系正在以比光速還快的速度遠(yuǎn)離我們。

于是就有了一條叫做宇宙視界的線。我們?cè)诳捎^測(cè)宇宙中看到的97%的星系，都在這條線之外，這些星系我們永遠(yuǎn)也不可能到達(dá)那里，包括 Gn-z11。從某個(gè)角度來(lái)講，這條線也是某種意義上的宇宙的邊緣。

然而，更加糟糕的是，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)目前宇宙膨脹的速度正在加速。

天文學(xué)家懷疑有一種神秘的力量在起作用——暗能量。我們認(rèn)為是暗能量將宇宙推開(kāi)，是它導(dǎo)致宇宙加速膨脹。而暗能量的起源和真正的物理性質(zhì)，至今還是一個(gè)巨大的謎。

拜暗能量所賜，越來(lái)越多的星系穿過(guò)了宇宙視界，一旦越過(guò)宇宙視界，就意味著我們永遠(yuǎn)失去了這些星系，所以我們今天可以看到的一些星系，在幾百萬(wàn)年后，我們就看不到了，一萬(wàn)億年后，我們?cè)谔炜罩锌吹降乃行窍刀紝⑼耆床灰?jiàn)。

【宇宙的形狀】

數(shù)萬(wàn)年來(lái)，我們?nèi)祟愐恢斌@嘆于浩瀚的宇宙，但宇宙究竟有多廣闊呢?為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們必須先回答另一個(gè)問(wèn)題：“宇宙是什么形狀的?”即宇宙在最大的尺度上是如何彎曲的?

如果我們要發(fā)現(xiàn)宇宙確實(shí)有某種幾何曲率，那么這可能意味著它在難以置信的距離內(nèi)將自己包裹起來(lái)。

于是就會(huì)一個(gè)有趣事情：如果你能沿著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，你最終會(huì)來(lái)到起點(diǎn)。

如果，宇宙是平坦的，即沒(méi)有曲率，那么，你走得越遠(yuǎn)，就再也回不到起點(diǎn)。

一般計(jì)算物體的形狀，我們通常會(huì)退一步看一看。但很明顯，離開(kāi)宇宙是不可能的。你不可能跳上火箭，飛到比我們的宇宙視界大一千倍的地方去看看宇宙的形狀。人不能，至少不應(yīng)該。

于是科學(xué)家想到更加聰明的辦法：重子聲學(xué)振蕩，即宇宙微波背景中的波紋。

這是宇宙中最古老的光，隨著宇宙的膨脹，這些波紋以一種統(tǒng)一的方式在空間中留下印記。

它們提供了一個(gè)宇宙尺，來(lái)測(cè)量隨著時(shí)間推移的巨大距離。所以我們可以測(cè)量宇宙是在彎曲的空間，還是在平面上膨脹。通過(guò)計(jì)算，科學(xué)家們確信宇宙是平的，精確度達(dá)到百分之幾。

如果宇宙是平的，那么我們的宇宙可能沒(méi)有邊緣，因?yàn)?span id="2kiigm2" class="keyword">平坦的宇宙可能是無(wú)限的。宇宙可能是永無(wú)止境的，恒星和星系永遠(yuǎn)沒(méi)有盡頭。

但真正無(wú)限的東西怎么可能存在呢?無(wú)限是一個(gè)很奇怪的概念，意味著無(wú)論有多巨大的數(shù)字，在無(wú)限面前都是渺小的。

如果宇宙是無(wú)限的，那么可能會(huì)有無(wú)數(shù)個(gè)星系擁有有生命的行星。由于生命確實(shí)出現(xiàn)在地球上，因此，它肯定會(huì)發(fā)生在宇宙的其他地方。

在平坦的宇宙中，外星生命可能有無(wú)限多種形式。如果宇宙沒(méi)有邊緣，很多看起來(lái)不可能的事情就變成了可能，所以這意味著一定有另一個(gè)地方，有一個(gè)和我們一樣的星系，它也會(huì)有一個(gè)和我們一樣的地球。甚至?xí)辛硪粋€(gè)版本的你，另一個(gè)版本的我。

如果宇宙是無(wú)限的，它在膨脹，它會(huì)膨脹到什么程度，會(huì)從什么地方開(kāi)始?如果宇宙是無(wú)限的，那么大爆炸時(shí)是否也是無(wú)限的?

這是一件非常費(fèi)解的事情。在無(wú)限的宇宙中，星系永遠(yuǎn)存在，每個(gè)星系之間都有很長(zhǎng)的距離，但很久以前，星系之間的距離更近，距離只有現(xiàn)在距離的一半，它們?nèi)匀挥肋h(yuǎn)在繼續(xù)遠(yuǎn)離。

在平面宇宙中，空間從一開(kāi)始就是無(wú)限的。宇宙中從來(lái)沒(méi)有一個(gè)點(diǎn)發(fā)生過(guò)大爆炸，它的發(fā)生無(wú)處不在，無(wú)限的宇宙提供了無(wú)限的可能性。

【時(shí)間的力量】

雖然，宇宙的空間沒(méi)有邊緣，但我們的宇宙可能存在另一種邊緣，即時(shí)間的邊緣。

宇宙似乎始于138億年前，所以人們傾向于認(rèn)為宇宙在時(shí)間上是有限的。我們所說(shuō)的大爆炸，就我們所知，是一個(gè)開(kāi)始，即宇宙的開(kāi)始。宇宙的年齡是有限的，那么，它在未來(lái)有邊緣嗎?

我們?cè)?jīng)認(rèn)為，時(shí)間總有一天會(huì)和行星、星系以及宇宙中的所有生命一樣，走向?yàn)?zāi)難性的終結(jié)。

如果我們知道有一次大爆炸，如果我們知道宇宙有開(kāi)始，有膨脹和冷卻，我們就會(huì)很自然地想，是否有一天膨脹會(huì)停止，逆轉(zhuǎn)，然后回來(lái)，這就是大收縮。

在大收縮中，我們膨脹的宇宙會(huì)開(kāi)始收縮，恒星和行星會(huì)相互撞擊，星系會(huì)發(fā)生碰撞。宇宙中剩下的所有生命都會(huì)和其他物質(zhì)一起被壓縮成奇點(diǎn)。

如果這個(gè)理論是正確的，那么宇宙將有時(shí)間的開(kāi)始和結(jié)束。如果我們生活在一個(gè)會(huì)膨脹，停止膨脹，然后回到緊縮的宇宙中，那么它實(shí)際上就有兩個(gè)邊界。

但還有一種更奇怪的可能性，也許結(jié)束只是一個(gè)開(kāi)始，宇宙是一個(gè)振蕩的宇宙，它有一個(gè)大爆炸的開(kāi)始，膨脹到最大，然后回到大收縮，如此一遍又一遍反復(fù)。

我們可能是一個(gè)由另一個(gè)宇宙的灰燼所創(chuàng)造出來(lái)的宇宙居民，也可能是一串跳動(dòng)的宇宙中的一個(gè)宇宙……每一個(gè)宇宙都充滿了星系、行星和生命。

但是，我們最近對(duì)宇宙的觀察表明，大坍縮是不可能的，因?yàn)橛邪的芰康拇嬖凇?/p>

有一段時(shí)間，我們不知道宇宙的膨脹，宇宙是否會(huì)因?yàn)橐Χ鴾p速、停止，并自我逆轉(zhuǎn)。宇宙中有很多星系，它們通過(guò)引力相互拉拽，如果膨脹速度不夠快，引力可能會(huì)強(qiáng)大到足以阻止膨脹，并重新坍縮宇宙。

但現(xiàn)在有了暗能量，我們知道這是不可能發(fā)生的。宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去，因?yàn)榘的芰吭诓粩嗟丶铀佟?/p>

如果要有一次大的收縮，我們對(duì)暗能量的理論必須有很大的改變。也就是說(shuō)，暗能量必須是非常奇怪的，并且以某種非常有趣的方式關(guān)閉，宇宙才能突然停止膨脹并重新崩潰。

既然沒(méi)有大坍縮，時(shí)間就沒(méi)有未來(lái)的邊緣。宇宙會(huì)繼續(xù)向未來(lái)無(wú)限擴(kuò)張，就像空間一樣，時(shí)間是永恒的。

這聽(tīng)起來(lái)像是生命和宇宙的更好命運(yùn)，但事實(shí)并非如此。

暗能量導(dǎo)致宇宙加速的后果之一是，我們最終會(huì)走向“熱寂”，或者說(shuō)我們最終會(huì)走向嚴(yán)寒。

宇宙會(huì)變得越來(lái)越冷，事物會(huì)變得越來(lái)越分散，因此，我們宇宙的加速、持續(xù)和永遠(yuǎn)的膨脹，可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)間的一個(gè)令人沮喪的結(jié)局。

宇宙最終基于熵的熱死亡，那時(shí)，你走到外面，你將看不到天空中的星星，什么都看不到。

總有一天，宇宙中最后一顆恒星會(huì)熄滅，就這樣死寂。

在未來(lái)，空間將是一個(gè)寒冷、黑暗和無(wú)限的虛空，在那里時(shí)間將永遠(yuǎn)流逝，除了在永恒的蒼穹中受苦，什么也做不了。

【神秘的黑洞】

宇宙的時(shí)間在未來(lái)沒(méi)有邊緣，是我們不可避免的命運(yùn)。既然宇宙外面沒(méi)有邊緣，宇宙內(nèi)部會(huì)有邊緣嗎?

也許黑洞也是一種宇宙的邊緣，如果你想去宇宙的邊緣，那么就跳進(jìn)黑洞，只是這將是單程旅行，你將永遠(yuǎn)不會(huì)回來(lái)。

2019年4月，一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)布了第一張黑洞的照片。這是一張超大質(zhì)量黑洞的照片，位于5400萬(wàn)光年遠(yuǎn)的 m87 星系中心。它也可能是宇宙中第一張邊緣的圖像。

當(dāng)我們想到空間和有邊緣的宇宙時(shí)，黑洞創(chuàng)造了一個(gè)非常有趣的場(chǎng)景：黑洞內(nèi)外空間之間的邊緣，稱為視界。

黑洞的引力非常強(qiáng)大，以至于連光都無(wú)法逃脫，這意味著一旦你穿過(guò)視界，任何東西都無(wú)法逃脫。

所以這確實(shí)是一個(gè)邊緣，因?yàn)橐坏┠愦┻^(guò)視界，你就與宇宙的其他部分隔絕了，你再也回不去了，你在我們的宇宙之外。

現(xiàn)在還有一種觀點(diǎn)，認(rèn)為，黑洞周圍的時(shí)空會(huì)出現(xiàn)一個(gè)鏡像宇宙，一個(gè)平行宇宙。在黑洞的另一邊，是和我們一樣的宇宙，可以從黑洞穿越過(guò)去，所以黑洞不僅僅是我們宇宙的邊緣，它們也可能是通向其他宇宙的門戶。

當(dāng)然，這是一種高度推測(cè)，但如果有一個(gè)空間或區(qū)域，你可以與其他宇宙建立聯(lián)系，那么黑洞，原則上，可能就是通往那個(gè)宇宙的入口。但是，幾乎不可能有人想要冒險(xiǎn)越過(guò)視界去尋找答案。

【無(wú)解的問(wèn)題】

我們對(duì)宇宙其他邊緣的探索，也幾乎沒(méi)有希望。我們永遠(yuǎn)無(wú)法穿越宇宙視界，我們將永遠(yuǎn)無(wú)法看到可觀測(cè)宇宙的邊緣以外。

所以于是宇宙是否邊緣，還是沒(méi)有答案。

也許我們不應(yīng)該考慮宇宙的邊緣，你生命中所見(jiàn)的一切都是有限的，它有內(nèi)在和外在，也有邊緣。

宇宙可能不是這樣的，宇宙可能完全沒(méi)有邊緣。我們?cè)?jīng)認(rèn)為，未來(lái)生命的終極極限是由大自然設(shè)定的，我們無(wú)法離開(kāi)這個(gè)星球，或者說(shuō)，除了我們的太陽(yáng)系之外，什么都沒(méi)有。

而現(xiàn)在我們意識(shí)到，我們有一個(gè)浩瀚無(wú)邊的宇宙，而終極極限，實(shí)際上只是我們自己的想象力，和我們用想象力做偉大事情的能力。我們未來(lái)的命運(yùn)掌握在我們自己的手中。

對(duì)我們重要的，而且只會(huì)對(duì)我們重要的是可觀測(cè)宇宙，因?yàn)檫@是我們所能看到的極限，也是我們所能知道的極限。所以宇宙是有邊界的，我們能知道的東西也是有邊界的。

標(biāo)簽： 宇宙是否有邊緣 整個(gè)宇宙有極限嗎 宇宙科學(xué)家