宇宙有尽头吗?尽头是什么?尽头之外又有什么?

“宇宙的尽头”是什么?

如今,在书籍和报纸的标题会看到诸如“目前为止,人类已经接近宇宙尽头”之类的表述。那么,对宇宙有所了解的人,脑中立刻会想到这说的是“可观测宇宙的尽头”。也就是以我们人类自身为半径,大约464亿光年的一个范围。(哎?宇宙尽头不是138亿光年吗?欢迎这么想的读者来读我这篇小短文)

提到“宇宙尽头”这个词,大多数人的印象停留在空间上的宇宙尽头,也就是说名为宇宙这个空间终结的地方。

(我们所认为的宇宙尽头是?照片来源:Benjamin Davies on Unsplash)

只有在“可观测宇宙”范围内才存在宇宙空间——这的确很难让人信服。更何况如今的宇宙理论已经发展到了可以谈及“可观测宇宙”之外的阶段。

宇宙究竟是什么颜色?

我们先把“可观测宇宙尽头”之外是什么这个问题放在一边,先介绍一个指标来解释一下目前人类对宇宙的观察范围有多远。

这个指标就是——宇宙背景辐射。

电磁波充满整个宇宙的状态就是宇宙微波背景辐射。

大家都熟知“银河”一词吧。像云一样闪着淡淡微光的辐射就是背景辐射。银河也被称为是背景辐射,但他们的实体其实是肉眼看不到的暗星集合。

在处于圆盘星系中的我们看来,银河就仿佛是横亘在空中的一条河流。

(银河 拍摄来源John Fowler / Flickr)

无数黑暗的遥远星系闪烁着微光,但仅以现有的望远镜设备,仍然有观测不到任何天体的漆黑领域。

这就是说,宇宙并不是我们想象中的漆黑一片。

如果问,白天的天空是什么颜色,大家会不假思索的回答,蓝色。那么夜晚的天空呢?

“夜空是黑暗的”也不过是因为我们眼睛感光有限。如果准确测量的话,夜空也应该有一定的亮度,闪烁着光芒,甚至是有颜色的。

那么,究竟是什么颜色呢?

事实上——宇宙接近奶油色。

一提到宇宙,人们就会想到漆黑的空间中漂浮着星体和星系。但实际上仔细观察就会发现,漆黑的宇宙空间里闪着奶油色的光芒。(这个颜色也是我的著作《宇宙“尽头”有什么》封面使用的颜色,有兴趣的读者可以买来看看)

我们所见的宇宙只是宇宙的一部分。

那么,我们要重新思考一下“宇宙尽头”是否仅仅是“空间方向的延伸”?

前文已述,现在宇宙的直接可观测范围仅限于“宇宙视界”(半径464亿光年),也就是宇宙从诞生开始到现在为止光速的传播距离。

但是基于目前宇宙学的研究成果,超出视界之外的领域,宇宙又是如何扩张延伸的呢?我可以引用“宇宙膨胀理论”对此进行一个符合逻辑的解说。

(从大爆炸开始的宇宙范围面临再审查 )

目前“可观测宇宙”范围内处处充斥着“极为均质的宇宙”,这又是为什么呢?

其中最有力的回答就是原本较小的“均质”领域在宇宙初期极度膨胀的学说——这就是宇宙加速膨胀理论。

宇宙加速膨胀时期的宇宙究竟膨胀了多少?并没有明确的数字。但是如果能让“视界”范围内成均质分布,宇宙至少膨胀10的30次方(100亿倍的100亿倍的100亿倍)。

这还只是最低估算,实际可能远超于此,可能是10的40次方或者10的50次方。

宇宙的创世之神仿佛利用宇宙膨胀来整合宇宙,以完成“相同的密度”以及“没有扭曲的平面空间”的目标。自然,这并不意味着这个被整合出来的宇宙范围恰巧就是我们目前的“可观测范围”。

“可观测范围”是宇宙初开时期到观测点,光的传播距离,然而我们并不知道观测者处在宇宙膨胀的哪个基点上。

因此,我们很自然的得出结论:依据宇宙加速膨胀理论,宇宙膨胀的范围肯定远远大于目前的“视界”。(个人认为会是10的几十次方)

(宇宙的范围远比“可观测宇宙尽头”大 图片来源:NASA Goddard Space Flight Center / Flickr)

也就是说,在承认宇宙加速膨胀理论的前提下,有如下结论:宇宙在空间上的尽头远超过半径464亿光年的“视界”。不仅如此,在“视界”之外依旧存在“密度一致”且“无扭曲”的“平滑”的宇宙空间。

“宇宙”之外的宇宙之外是什么?

那么问题接踵而至,“超出宇宙加速膨胀说”范围之外的宇宙又是怎样的呢?”

很遗憾,从这儿开始就是利用现代科学知识所不能回答的领域了。事实上,专研这个方面的学者凤毛麟角。

图片上传中

即便如此,存在几个研究方向。

其中有一个疑问,“宇宙外层空间是无限延伸,还是拥有有限的体积?”那么就从此发散吧。

尽管对此不能详谈了,但物理上存在一种可能——即“无限的宇宙”拥有“有限的体积”。

相关知识阅读

宇宙是所有时间、空间与其包含的内容物所构成的统一体;它包含了行星、恒星、星系、星系际空间、次原子粒子以及所有的物质与能量,宇指空间,宙指时间。目前人类可观测到的宇宙,其距离大约为93 × 109光年(28.5 × 10^9秒差距),最大为27,160百万秒差距;而整个宇宙的大小可能为无限大,但未有定论。物理理论的发展与对宇宙的观察,引领着人类进行宇宙构成与演化的推论。

图解:在本图中,时间轴方向为从左至右,宇宙的其中一个维度则予以隐藏,因此在图中的任何给定时间,宇宙会以碟状“切片”的型态显示。

可观测宇宙是一个以观测者作为中心的球体空间,小得足以让观测者观测到该范围内的物体,也就是说物体发出的光有足够时间到达观测者。截至2013年对宇宙年龄最精确的估计是137.98±0.37 亿年。

图解:可观测宇宙的模拟全图,室女座超星系团位于中心位置,但因过于渺小以至于看不见。

但由于宇宙的膨胀,可观测宇宙的半径并不是固定的138亿光年,人类所观测的古老天体当前的距离比起其原先的位置要遥远得多(以固有距离(proper distance)来衡量,固有距离在现在的时点和同移距离是相等的)。现在推测可观测宇宙半径约为465亿光年,直径约为930亿光年。根据宇宙学原理,从任何方向到可观测宇宙边缘的距离大致是相等的。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. 有鱼- gendai

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2.天文学名词

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