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宇宙外面是什么科学家这次终究知晓1

来源: 作者: 2019-11-10 04:03:31

逃不出的宇宙

宇宙外面是什么科学家这次终究知晓1

现代宇宙学始于20世纪初,此前人们一直深信:宇宙的疆域是无限的,时间是无休无止的,空间是无穷无尽的。1929年,美国著名天文学家埃德温·哈勃对“漩涡星云”进行观测后发现,所有星系都在离我们而去,而且“逃离”的速度越来越快。至此,结合科学的研究手段和充分的证据,很多科学家开始相信宇宙正在不断膨胀。

137亿年前的故事

宇宙正在不断膨胀?是的!宇宙并不是原封不动的,而是在不断地变大,它的疆域正在向四面八方扩张。宇宙到底是从何而来的呢?人类的生命都是由一个小小的受精卵开始的,那末宇宙的出发点究竟在哪里?

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如果我们追逐着宇宙的脚步溯源而上,我们就会发现,宇宙应当是从某个体积更小、密度更大的状态变化而来的。换句话说,宇宙也应该和我们一样,有一个从“受精卵”开始的进化进程。

1946年,美国天文学家伽莫夫提出“宇宙大爆炸”理论。伽莫夫认为,在宇宙诞生之前,既没有时间,也没有空间,更没有物质,但却充满了能量。大约在137亿年前,在这片虚无混沌中,一个体积无限小、质量无限大的点爆炸了,宇宙随之诞生。大爆炸开启了空间,也创造了时间、星体、空气和水,而生命和物资就由能量转换而来,在这个不断膨胀的时空里逐渐构成。

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每分每秒,地球都会接收许多来自宇宙中的光线,而目前到达地球最“古老”的光线就是137亿年前出现的宇宙背景辐射。在宇宙诞生之初,距大爆炸约40万年后,宇宙仍是一颗灼热、高温的火球,并发射出耀眼的光芒,而这些光芒就是宇宙背景辐射,是大爆炸的余光。

宇宙如何膨胀

依照宇宙大爆炸的理论,宇宙的持续膨胀是毫无疑问的,各种星系和其他天体彼此高速远离而去。因此,宇宙物质将变得越来越稀疏,密度也越来越小。如果真是如此,我们的宇宙终将变得“空空荡荡”。于是就有一种理论认为:当宇宙膨胀使星系之间的距离变得足够“遥远”的时候,就会有许多新的物质从“虚无”中被创造出来,弥补出现的“间隙”,以保持宇宙物质的应有密度,不过这种猜想完全违背了物质守恒定律。那末,宇宙到底是如何膨胀的呢?

利用数学方式提出宇宙模型的第一人——俄罗斯科学家亚历山大·弗里德曼,结合爱因斯坦的相对论,提出了自己的想法:一个时间不产生变化的空间,即静止的宇宙是不存在的。随着时间的推移,空间要末变大,要末缩小。弗里德曼对这两种情况进行了分析,终究总结出宇宙膨胀的三类情况:

第一,当全部宇宙的密度很大时,万有引力也很大,因此星系退行的速度会不断减慢直到逐渐停止,这也意味着宇宙的膨胀停止了。这个停止的进程不会很久,使宇宙慢下来的力会致使宇宙逆转其进程,就像反着放电影胶片一样,宇宙开始收缩,直到成为一点。这类宇宙模型叫做封闭式模型。

第二,宇宙最初的体积为零,一旦开始膨胀,便会不停地膨胀下去,因为宇宙的物质密度不足以提供使它停下来的万有引力。这就犹如人类发射火箭的情形,当火箭耗尽燃料后,如果速度小于第一宇宙速度时,火箭升空的速度越来越慢,最终在重力的吸引着落回地面;如果达到了第一宇宙速度,它就会飞向太空,与地球永久地告别。目前我们在宇宙中观察的现象是,星系是相互飞离的,类似于第二种情况。这种宇宙模型被称为开放式模型。

第三,宇宙会如同封闭式、开放式一样膨胀,此后虽然宇宙也不停地膨胀,但总是在收缩的边缘徘徊。这类模型被称为平直式模型。

不论是封闭的宇宙模型还是开放的宇宙模型,抑或是平直式模型,随着时间的推移,星系的退行速度肯定是会减慢的。但是,生存在膨胀宇宙中的人类根本无法判定宇宙的模型到底是上述的哪一种。到底宇宙是会永远收缩下去,还是会在收缩过后又膨胀,抑或是始终在收缩的边沿徘徊呢?

有限无界的宇宙

目前,越来越多的科学家认为,宇宙并不会无限制地扩大,当它膨胀到一定程度时就会停止,并将这种状态保持一定的时间长度。

在这种状态下,宇宙的大小有限,但却没有边界(出发点和终点),就犹如地球一般。我们都知道地球的表面积是有限的,假设有一个人在地球表面走,不管他走得多远,也不管是朝哪个方向走,即使是不停地走下去,在地球表面绕了一圈又一圈,他也不会遇到一个边界。

因此,现代天文学和物理学对这个问题的研究结论是:宇宙是有限却无界的。但假设在这个世界上,有一双不在宇宙范围内的绝对客观的眼睛,就会看到我们的宇宙的大小是有限的,但我们自己却永远也达不到宇宙的边沿,由于连光线都不能从这个宇宙逃逸出去。在宇宙的边缘,光在尽一切努力逃走,但终究会被引力吸引而留在这个空间内。即使我们有光速的飞船,但当我们驾驶它到达宇宙的边沿时(假定能够到达宇宙的边沿),飞船就会开始变慢,我们只能在宇宙的边缘徘徊,但我们根本感觉不到。在宇宙边沿这个扭曲的空间里,即使一直朝一个方向飞行,飞行路线从其他空间看起来也是弯曲的,我们只会一直在宇宙的最远处环绕飞行。

说到这儿,你是否是感觉我们所在的宇宙就像是一个巨大的黑洞呢?没错!的确已有不少科学家认为,我们的宇宙就是一个黑洞。而且他们还认为,在这个黑洞以外又是一个更大的宇宙,或者说是一个更大的黑洞,就好像俄罗斯套娃一样,无休无止,无穷无尽。

宇宙的大小

既然宇宙是有限的,那末宇宙的大小应该是可以测算的。想要了解整个宇宙的大小和样子,就要先知道宇宙的曲率和形状。所谓曲率,就是空间的曲折程度。按一般相对论的理论,空间是有可能曲折的。但由于空间曲折的样子难以想象和理解,我们仍以地球表面那样的二维面来测算大致的面积和体积吧。

我们知道,实际上我们处于一个三维空间,地球的赤道就是弯曲的,但是,在实际生活中,赤道给我们的感觉仍是一条笔直的直线。因此,我们根本不能真实地感觉地球表面的曲折程度。同理,对于生活在三维空间的我们而言,虽然知道三维空间是弯曲的,但我们根本感受不到。

不过,我们仍有确认三维空间曲折程度的方法。在曲率不同的宇宙中,几何图形的性质也不一样。以三角形为例,三角形的内角之和,在不弯曲的空间、即曲率为零的情况下是180°;在弯曲的空间,可能比180°大或比180°小,前者曲率为正,后者曲率为负。

三维宇宙的曲率差异没法用图像表现出来,但是,如果我们将三维宇宙想象成一个二维的面,则曲率为零的宇宙就是一张长方形的平坦的纸。那末,曲率为正或负的宇宙空间应该是怎么样的呢?曲率为正的宇宙应该类似于球体,曲率为负的宇宙应该是马鞍形的曲面。不过,由于宇宙有限但却无界,所以我们根本没法准确预测出宇宙的形状和曲率,因此我们所有的推测都只是有科学根据的想象而已,更遑论测算宇宙的大小。况且,宇宙膨胀的速度比光速还快,人类根本看不见宇宙的最深处,所以我们只能讨论观测到的宇宙有多大。

根据宇宙大爆炸理论,宇宙是在137亿年前出现的,宇宙中的天体是在大爆炸中产生的,也就是说最早的天体诞生于137亿年前。根据宇宙在大尺度上是类似的原理,地球理论上能够接收到来自这些最古老天体的光,因此我们能够在地球上看到的最年长的天体应当有137亿岁了。宇宙一直在膨胀,空间的急速膨胀使距离急剧增大,等到最远天体的光到达地球之时,它们已经退行至470亿光年以外了。因此,人类目前能够观测到的最远天体,应当距离地球约470亿光年,能够观测到的宇宙的尺度就大约是940亿光年了(仅以曲率为零的二维空间测算)。

无穷多的宇宙

当我们知道宇宙是有限的,一定会有人思考下一个问题:宇宙的外面是什么?

对于这个问题,科学家的回答是没有“外面”这一说法。当我们在思考“宇宙外面是什么”的时候,其实是以那里存在空间为前提的。但是,宇宙的外面不可能有空间,如果在那里有空间,只能说明那里依然处于宇宙的范围以内。

不过,宇宙是不是只有一个呢?

我们所说的宇宙是从“虚无混沌”中诞生的。如果这个说法正确,则意味着从“虚无浑沌”中诞生的宇宙极有可能不只有我们所存在的这一个宇宙,诞生无穷多的宇宙也不是没有可能。

按照物理学家佐藤胜彦的“暴胀论”说法,在引起暴胀的空间中,暴胀结束的区域会像肥皂泡那样到处出现,这些空间会逐步变大。但是整个宇宙不可能被这样的空间占满,空间与空间之间的缝隙仍会继续暴胀。每一个空间都会构成一个独立的宇宙,我们所在的宇宙或许就是这些空间中的一个。

不过,值得我们沉思的是,每当一个新的空间出现,就意味着增加一个缝隙,一个新缝隙的出现就意味着又会生成一个新的宇宙。再加上宇宙空间的不断膨胀,新的宇宙会继续出现,周而复始,永无停歇。因此,就有科学家认为,在大爆炸之初,只构成了一个母宇宙,但随着上述进程的重复,从这个母宇宙中又诞生了子宇宙、孙宇宙、重孙宇宙,从而构成了无穷多的宇宙。但是这些宇宙的时空是完全被隔绝的,相互之间没有物质或光等一切能量的来往。

“多重宇宙论”目前还只是一个假说,人们也还不能证明其他宇宙的存在,更不用说有视察证据直接予以证明了。不过,已有一个美国的试验团队开始着手探索这1话题的科学性和真实性,也许在未来会给我们一个合理的解释与答案。

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