宇宙有边缘吗?如果有,它在哪里?

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图注:艺术家对可观测宇宙的对数尺度概念。星系让位于大型结构和大爆炸在郊区的热,密集的等离子体。此"边"只是时间上的边界。

信不信由你,实际上有三种不同的方式来思考这个问题,每种方式都有不同的答案。如果您考虑您能够走多远,如果您:

今天被留在一个任意强大的火箭,

考虑所有可能接触到我们的东西,或从热的大爆炸开始就被我们接触的东西,

或利用你的想象力独自进入整个宇宙,包括那些无法观察的东西,

你可以计算出它离边缘有多远。在每种情况下,答案都是引人入胜的。

图注:我们通常将空间可视化为 3D 网格,即使当我们考虑时空概念时,这是一个依赖于帧的过度简化。在现实中,时空是由物质和能量的存在弯曲的,距离不是固定的,而是可以随着宇宙的膨胀或收缩而演化的。

要记住的关键概念是,空间不是我们通常设想它的方式。通常,我们认为空间就像一个坐标系——一个三维网格——两点之间的最短距离是一条直线,距离不会随时间而改变。

但是,这两种假设,在我们的日常生活中都非常完美,当我们开始审视我们星球之外的更大尺度的宇宙时,却令人大失所望。首先,当你开始将质量和能量量子引入宇宙时,两点之间的最短距离是一条直线的想法就会崩溃。因为时空受曲率的影响,而曲率是物质和能量的存在是原因,两点之间的最短距离本质上取决于这些点之间的宇宙形状。

图注:在广义相对论中,我们把空间和时间视为连续的,但所有形式的能量,包括但不限于质量,都有助于时空曲率。如果我们用更密集的版本取代地球,包括奇点,这里显示的时空变形将是相同的;只有地球内部才会有显著的差异。

图注:星系越远,它离我们越快,它的光看起来越红移。今天,随着宇宙膨胀而移动的星系将比它从它发出的光到达我们的年数(乘以光速)还要大。但是,只有将红移和蓝移归因于运动(特殊相对论)和空间膨胀结构(一般相对论)贡献的组合,我们才能理解红移和蓝移。

当我们测量各种天体与其物理和发光特性的距离,以及它们的光因宇宙膨胀而转移的数量时,我们就能理解宇宙是由什么构成的。我们的宇宙混合物,目前包括:

0.01%的光子辐射,

0.1%中微子,一种难以捉摸的低质量粒子,几乎和光子一样多,

4.9%的正态物质,主要由我们相同的物质组成:质子、中子和电子,

27%暗物质,一种未知物质,它吸引,但不发射或吸收光,

和68%暗能量,这是空间固有的能量,导致遥远的天体在衰退中加速离开我们。

这些效应组合在一起时,您将获得一个独特而明确的预测,预测它的过去和现在,到可观测宇宙的边缘有多远。

这是件大事!大多数人认为,如果宇宙自大爆炸以来已经存在了138亿年,那么我们所能看到的极限将是138亿光年,但这并不完全正确。

只有当宇宙处于静态,而不是膨胀状态,这才是事实,但事实是:我们越远看,越远的物体似乎越快地离我们远。这种膨胀的速度变化的方式可以根据宇宙中的内容来预测,反过来,知道宇宙中有什么,观察天体膨胀的速度,可以告诉我们它们离我们有多远。当我们把所有可用的数据放在一起时,我们会得出一个独特值,包括到可观测宇宙视界的距离:461亿光年。

图注:从我们的角度来看,可观测到的宇宙可能是460亿光年,但肯定有更多的、不可观测的宇宙,甚至可能是无限的,就像我们超越的一样。随着时间的推移,我们将能看到更多的星系,最终揭示出大约2.3倍于我们目前所能看到的星系。

超过一定距离,我们可以看到一些很久以前发出的光,但永远也看不到现在正在发出的光:大爆炸后138亿年。超过某一定的特定距离,根据我计算,目前距离大约180亿光年,即使是以光速移动的信号也永远无法到达我们。

同样,这意味着,如果我们在一个任意高功率的火箭飞船上,目前包含在这180亿光年半径内的所有物体最终都会被我们所触及,即使宇宙继续膨胀,这些距离继续增加,我们也能触及。但是,超出该范围的对象将永远无法到达。即使我们走得越来越远,它们退去的速度也会比我们所能旅行的要快,使我们无法永远去探望它们。在可观测的宇宙中,94%的星系已经超出了我们观察范围。

然而,我们可能要考虑另一个"边缘":超越我们今天所能观察到的极限,甚至我们可以任意观察到未来的东西,如果我们的理论时钟运行到无穷大。我们可以考虑整个宇宙有多大——不可观测的宇宙——以及它是否在自身上折叠。

我们可以回答这个问题的方式,是基于我们试图测量宇宙的空间曲率时所观察到的外推:空间弯曲的量是我们可以观察到的最大尺度。如果宇宙呈正曲线,平行线将收敛,三角形的三个角度总和超过180度。如果宇宙呈负曲线,平行线将分叉,三角形的三个角度总和小于180度。如果宇宙是平的,平行线将保持平行,所有三角形三个角度总和等于180度。

图注:三角形的角度加起来根据存在的空间曲率,加起来不同。正曲线(顶部)、负曲线(中间)或平面(底部)宇宙的内角将分别达到更多、更少或完全等于 180 度。

我们这样做的方式是获取最遥远的信号,如大爆炸遗留下来的光,并仔细研究波动是如何形成的。如果宇宙呈正或负方向弯曲,我们观察到的波动模式将最终会扭曲,出现在较大或更小的角度尺度上,而不是平坦的宇宙。

当我们从宇宙微波背景的波动和星系,如何在各种距离的大尺度上聚集的细节中获取最好的数据时,我们得出了一个结论:宇宙是与完美的空间平坦度无法区分。如果它是弯曲的,它的级别不超过0.4%,这意味着如果宇宙像超球一样弯曲,它的半径至少比我们观察到的部分大250倍。

如果你把宇宙的边缘定义为我们所能到达的最远的物体,如果我们立即开始我们的旅程,那么我们目前的极限仅仅是180亿光年的距离,只包括我们可观测宇宙体积的6%。如果你把它定义为我们所能观察到的信号的极限——我们可以看到谁,谁可以看到我们——那么边缘就会达到461亿光年。但是,如果你把它定义为不可观测的宇宙的极限,它的大小至少是1,1500亿光年,而且可能更大。

在超视距宇宙模型中,直线运动将返回到原始位置,即使在无弯曲(平坦)的时空中也是如此。宇宙也可以是封闭的,呈正弯曲的:就像一个超球球。

然而,这并不一定意味着宇宙是无限的。它可以是平坦的,形状像甜甜圈一样,在数学上称为圆环。它和可观测的宇宙一样大,而且是膨胀的,有有限的信息告诉我们,它仍然是有限的。除此之外,最终的宇宙真理仍然不为人所知。


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