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可观测宇宙之外是什么?

时间:2019-07-19 22:22:58 浏览量:
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138亿年前,大爆炸发生了。宇宙中充满了物质、反物质、辐射,他们从超级热、超级密集的状态逐渐膨胀、冷却,直到今天,我们可观测宇宙的体积都已经达到460亿光年。我们观察宇宙靠的是光线,而这个极限就被限定在光线是否能够到达我们的眼睛。但是那些超出我们眼睛观察范围的宇宙还有什么呢?不可观测的宇宙又是什么样的?

可观测宇宙之外是什么?可观测宇宙之外是什么?

宇宙的历史,就我们所能看到的使用各种工具和望远镜的历史来说,是确定无疑的。但我们的观察只能从同义反复的角度为我们提供关于可观测部分的证据。所有其他的东西都必须被推断出来,而这些推断只有在假设的基础上才有效。

今天的宇宙是冷的和块状的,但它也在膨胀和吸引。当我们看到越来越远的距离时,我们看到的东西不仅是遥远的,而且是时光的倒流,因为光速是有限的。越远的宇宙就越不那么笨重,越均匀,形成更大、更复杂的结构的时间就越少,这就需要更多的时间来进行重力作用。

基本宇宙观——大爆炸和膨胀的宇宙

早期遥远的宇宙也更热。膨胀的宇宙使穿过宇宙的所有光的波长都变长了。当波长变长时,它就会失去能量,变得更冷。这意味着宇宙在遥远的过去是更热的,这一事实我们已经通过对宇宙中遥远特征的观察得到证实。

2011年的一项研究(红点)提供了迄今为止最好的证据,证明过去的宇宙微波背景温度更高。远光的光谱和温度特性证实了我们生活在膨胀的空间中。

我们在宇宙大爆炸后138亿年的今天,仍然可以测量宇宙的温度,方法就是通过观察那个热的、致密的、早期状态的残余辐射。今天,它出现在光谱的微波部分,被称为宇宙微波背景。随着黑体光谱和2.725k的温度的增加,很容易确定这些观测结果与宇宙大爆炸模型的预测相符,精确得令人难以置信。

太阳的实际光线(左边的黄色曲线)和一个完美的黑体(右边的灰色曲线)对比图。因为太阳的光球厚度,表明太阳更像是一系列的黑体;右边是由COBE卫星测量到的真实的宇宙微波背景完美黑体。注意,右边的“误差条”是惊人的400西格玛。理论与观察之间的一致是具有历史意义的。

此外,我们知道随着宇宙的膨胀,这种微波背景辐射是如何在能量中演化的。光子的能量与其波长的倒数成正比。当宇宙只有一半大小时,大爆炸产生的光子能量是现在的两倍,而当宇宙只有现在的10%时,这些光子的能量是现在的10倍。如果我们回到宇宙只有当前大小0.092%时,我们会发现宇宙比现在温度高1089倍:大约3000K。在这些温度下,宇宙足够热,以至于可以电离其中的所有原子。宇宙中所有的物质不是固体、液体或气体,而是电离的等离子体。

宇宙初期,电子和质子是自由的,并与光子发生碰撞,而当宇宙膨胀和冷却时,它会变成一个中性宇宙,对光子来说是透明的。这里显示的是在宇宙微波背景发出之前的电离等离子体(左),接着是向一个中性宇宙(右)的过渡,这对光子来说是透明的。

我们到达今天宇宙大小的方式是通过对以下三件事的共同理解:

宇宙目前膨胀的速度有多快,我们可以通过很多方法来测量,宇宙目前有多热,我们从宇宙微波背景辐射中知道,宇宙是由什么组成的,包括物质、辐射、中微子、反物质、暗物质、暗能量等等。

通过我们今天所拥有的宇宙,我们可以推断出热大爆炸的最早阶段,并得出宇宙的年龄和大小的数据。

从现有的一整套观测资料中(包括宇宙微波背景资料,还包括超新星数据、大规模结构调查和重子声学振荡等),我们得到了我们的宇宙。大爆炸后年龄是138亿年,现在半径为461亿光年。这是可观测到的极限。任何比这更远的东西,即使是自大爆炸那一刻起以光速运动的物体也没有足够的时间到达我们。随着时间的推移,宇宙的年龄和大小都会增加,但我们所能观察到的东西总是有限度的。

可观测宇宙之外是什么?

艺术家对可观察宇宙的对数尺度概念图。请注意,大爆炸决定了,我们可以看到的时间和空间是有限的:时间138亿年,距离我们460亿光年。生活在我们宇宙中的任何地方的人都会从他们的有利位置看到几乎完全相同的东西。

那么对于宇宙中超出我们观测范围的部分我们能说些什么呢?我们只能根据我们所知道的物理定律,以及我们可以在可观测宇宙中测量的事物,做出推论。例如,我们观察到,在最大的尺度上,宇宙在空间上是平坦的:它既不是正曲线,也不是负曲线,精确到0.25%。如果我们假设我们目前的物理定律是正确的,我们就可以对宇宙的大小设定限制,至少,在宇宙重新弯曲回到自身之前,我们可以对宇宙的大小设定极限。

热点和冷点的大小以及它们的尺度,表示了宇宙的曲率。尽我们最大的能力,我们测量到它是完全平坦的。重子声学振荡提供了一种不同的方法来约束这一点,但也有相似的结果。(a)译文:如果宇宙是封闭的,那么来自热点相对的光线就会相互向对方弯曲,因此,在我们看来,这个热点似乎比实际的要大。(b)译文:如果宇宙是平的,那么来自热点相对的光线根本就不会弯曲,因此在我们看来,热点的真实尺寸是真实的。(c)译文:如果宇宙是开放的,那么来自热点相对的光线就会相互远离对方弯曲,因此,在我们看来,这个热点似乎比实际上要小。

斯隆数字巡天和普朗克卫星的观测是我们获得最佳数据的地方。他们告诉我们,如果宇宙确实向后弯曲并靠近,我们能看到的部分与“未弯曲的”部分是如此难以区分,以至于它的半径至少是可观测部分的250倍。

这意味着,如果没有拓扑结构上的怪异之处,这个不可观测的宇宙,其直径必须至少为23万亿光年,其中包含的空间体积是我们所能观测到的体积的1500万倍以上。然而,如果我们愿意推测,我们可以非常有说服力的说,不可观测的宇宙应该比这个大得多。

从我们的观点来看,可观察到的宇宙可能在所有方向上都是460亿光年,但肯定还有更多不可观测的宇宙,甚至可能是无限的,就像我们的宇宙一样。随着时间的推移,我们可以看到一些,但不是很多。

正如我们所知,大爆炸可能标志着可观测宇宙的开始,但它并不标志着空间和时间本身的诞生。也许在宇宙大爆炸之前,宇宙经历了一段时间的宇宙膨胀。宇宙不是充满物质和辐射,也不是炽热,而是:

空间本身充满了固有的能量,以恒定的指数速率膨胀,创造新空间的速度如此之快,以至于每10^-32秒就能从最小的物理长度尺度——即普朗克长度,延伸到目前可观测宇宙的大小。

膨胀会导致空间呈指数级扩张,这很快就会导致任何已经存在的弯曲或非光滑的空间看起来都是平坦的。如果宇宙是弯曲的,它的曲率半径至少是我们能观测到的几百倍。

宇宙到底有多大?宇宙是否无限?也许下面三个问题的答案对这两个问题的解决影响重大。

宇宙大爆炸时的宇宙区域到底有多大?宇宙是否“永恒膨胀”?宇宙膨胀在结束前还能持续多长时间?

有可能这个膨胀的宇宙,勉强达到我们目前所能观测到的规模。

还有可能的是,膨胀宇宙“边缘”的证据将在未来的某一年出现。

但也有可能宇宙的存在时间比我们能观测到的还要长。

在我们回答这些问题之前,我们可能永远不会知道。

大量发生大爆炸的独立区域被不断膨胀的空间分隔开来。但我们不知道如何测试、测量或访问我们可以观测到的宇宙之外的东西。

除了我们所能看到的,我们强烈地怀疑还有很多宇宙和我们一样,有着同样的物理定律,同样的物理结构,同样的宇宙结构,同样的产生复杂生命的机会。在膨胀结束的“泡沫”中,也应该有一个有限的大小和规模,而在更大的膨胀的时空中,包含着指数级的这样的巨大泡沫。但正如整个宇宙(或者你喜欢的多元宇宙),可能是无限的,也可能不是无限的。事实上,除非膨胀持续了无限长的时间,或者宇宙生来就是无限大的,否则宇宙的范围应该是有限的。

尽管我们可以观测到的宇宙如此之大,我们所能观测到的星星如此之多,它也只是我们所能观测到的宇宙的一小部分而已。

然而,最大的问题是,我们没有足够的信息来明确回答这个问题。我们只知道如何获取我们可观测宇宙中的信息:各个方向的460亿光年观测范围。最重要的问题,宇宙是有限的还是无限的,答案可能被编码在宇宙本身中,但我们无法获得足够的信息来知道。除非我们能找到答案,或者想出一个聪明的方案来扩展我们所知道的物理学的能力,否则我们所能得到的只有可能性。

编辑:时雨
关键词: 可观测宇宙
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