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?
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。
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。
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。
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:
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?
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。
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。
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:
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。
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。
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。
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。 |
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