困扰天文学家很久的问题:宇宙之外究竟还有什么?答案或已解开?

2021-05-06 09:22:16 天文在线

哈勃空间望远镜拍摄到的宇宙中不计其数的星系。(图源:NASA/ESA)

Paul M. Sutter是纽约州立大学石溪分校和熨斗研究所的一名天体物理学家,同时也是《向宇航员发问》、《空间调频》的主持人和《如何在太空中死去》的作者。

这也许是一个从人类诞生最初就最引人入胜的问题:在已知的极限之外还有什么?超出地图边界之外的是什么?这个问题的最终版本是:在宇宙之外还存在什么?而答案是……很复杂的。

想要回答宇宙之外还有什么这个问题,我们首先要精准定义”宇宙“的含义。如果你以字面意思将它定义为在所有空间和时间中可能存在的所有事物,那么宇宙之外不存在任何东西。即使你把宇宙想象成是个有限的空间并且想象在这个空间之外的事物,那么无论在此之外有什么都会被归入宇宙。

即使宇宙是个无形的、无名的、毫无意义的空间,那仍然是一个被列在”所有事物“清单上的一个事物,因此,根据定义,它是宇宙的一部分。

如果宇宙真的在尺度上无限大,你就不需要为这个谜题感到忧虑。宇宙既是无限大, 没有边界,又谈何外部。

当然,在我们可见的宇宙范围之外是存在外部空间的。宇宙是如此古老,光的传播速度是如此之快。所以,在宇宙的历史中,我们还没未收到每一个星系的光。目前我们可见的宇宙范围大约是900亿光年。也许在这个边界之外还有一堆随机的恒星和星系。

但是超出这些之外呢?这很难说。

关于曲率

宇宙学家不确定宇宙是无限大还是极其大。为了测量宇宙,天文学家转而观察它的曲率。宇宙大尺度的几何曲率告诉我们它的整体形状。如果宇宙在几何上呈现完美的平坦,那么它是无限的。如果它呈现弯曲,就如同地球的曲面,那么它的体积有限。

现代对宇宙曲率的观测表明它近乎完美平坦。你或许认为宇宙无限大,但事实上并非如此。即使一个平坦的宇宙,它也不一定无限大。以圆柱的表面为例,它在几何上平坦,因为画在其表面的平行线保持平行(“平坦”的定之一),但它的大小有限。宇宙亦是如此:它可能完全平坦,但完全封闭。

即使宇宙是有限的,这不意味它存在边缘或者外部。我们的三维宇宙可能被嵌入在一个更大的,多维度的结构中。这很好,确实是一些奇异物理模型。但是现在,我们没有办法进行测试,也不影响宇宙的日常演化。

我知道这是个令人头疼的套娃,但是如果宇宙的体积是有限的,它不一定是被嵌入的。

视角问题

当你想象宇宙的模样,你可能会想到一个巨球,充满恒星、星系和各种有趣的天体。你可能想象它从外边看的样子,就像宇航员从一个平静的轨道上俯瞰地球。

但是宇宙并不需要从外面的角度来看以证明其存在。宇宙就是它本身,定义一个三维宇宙与数学上完全相符,即便是它没有外部的宇宙。你可以想象一下,宇宙就像是一个球遨游在真空中,玩一个数学上不允许的心理小游戏。

诚然,有限的宇宙之外毫无一物听起来非常不可能。甚至“空”都不代表意义上的“空”----数学上完全没有定义。实际上,问“宇宙之外是什么?”就好像问“紫色能发出什么声音?”一样。这是毫无意义的问题,因为你在试图把两个不相关的概念结合起来。

很有可能,我们的宇宙确实有一个“外部”。但同样地,事实并非如此。数学上没有任何东西描述出宇宙需要有一个外部。

如果这一切听起来复杂又费解,不要担心。发展复杂数学的全部意义就是有工具能处理那些超出我们想象的概念。这就是现代宇宙学的力量:它能让我们研究不可想象的事物。

相关知识

宇宙(拉丁文:universus)泛指时空和物质,包括行星,恒星,星系,以及一切形式的物质和能量。现在最流行的宇宙起源理论是大爆炸理论。据此理论估计,时间和空间在13799±0.021亿年前齐双出现,宇宙自大爆炸后不断膨胀。虽然宇宙的大小未知,科学家们通过宇宙大爆炸所发生的时间,还有宇宙膨胀的速度计算出宇宙的直径大约是930亿光年。

古希腊和印度哲学家建立了最早的宇宙模型——地心说,他们认为地球是宇宙的中心。百年以后,尼古拉·哥白尼根据大量观察资料,经过多年观测和潜心研究,提出了日心说。日心说的基本论点之一是太阳是太阳系的中心。之后,艾萨克·牛顿——站在巨人的肩膀上,即在哥白尼的日心说,开普勒的行星运动规律以及第谷·布拉赫的高精度观测资料的基础上建立发展了万有引力定律。

观测技术的进步让人们认识到太阳只是银河系中不计其数的恒星之一,而银河系也只是宇宙中不计其数的星系之一。银河系中的许多恒星都有行星。从最大尺度来讲,星系均匀分散在各个方向上,这意味着宇宙既没有边缘也没有中心。从较小尺度来看,星系散落在星系团和超星系团中,这形成了巨型的丝状物和虚空,创造出巨大的泡沫状结构。20世纪早期的发现已经暗示宇宙有起点,空间也在不断扩张,并以越来越快的速度持续扩张。

BY: Paul Sutter

FY:Astronomical volunteer team

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