宇宙的尽头：科学家们对宇宙边缘的探索

原创 接下来怎讲 接下来怎讲 2024-02-24 18:58 中国香港

宇宙是什么？它有多大？它有边缘吗？它是什么形状的？它是怎样形成和演化的？这些问题一直困扰着人类，也激发了人类对宇宙奥秘的探索。在这篇文章中，我们将介绍一些科学家们对宇宙边缘的探索，以及他们所面临的挑战和困惑。

可观测宇宙的边缘

当我们说宇宙的边缘时，我们首先要明确一个概念，那就是可观测宇宙。可观测宇宙是指我们能够用现有的技术和设备观测到的宇宙的一部分，它以地球为中心，以光速为半径，大约为460亿光年。这个半径并不是固定的，而是随着时间的推移而增加，因为光需要一定的时间才能从遥远的天体传播到我们这里。例如，我们看到的太阳的光是8分钟前发出的，我们看到的最近的星系——仙女座星系的光是250万年前发出的，我们看到的最远的星系——Gn-z11的光是134亿年前发出的。这些天体的当前位置已经远远超出了我们看到的位置，因为宇宙在不断膨胀。

可观测宇宙的边缘是我们能看到的最远的东西，也就是宇宙微波背景辐射（CMB）。宇宙微波背景辐射是宇宙中最古老的光，是宇宙诞生和大爆炸的回声。它是在宇宙大爆炸后的37.8万年形成的，当时宇宙冷却到足以让光子自由传播的温度。它是一种极为均匀的微波辐射，覆盖了整个宇宙空间，温度约为2.7K。它是研究宇宙起源和演化的重要证据，也是宇宙学原理的基础。

宇宙膨胀和宇宙视界

我们能看到的宇宙的边缘存在一个严格的限制，就是由宇宙的年龄所决定。但这并不意味着宇宙就只有这么大，事实上，宇宙可能比我们能看到的要大得多，甚至是无限大。这是因为我们的宇宙一直在膨胀，而且膨胀的速度还在加速。宇宙膨胀是指宇宙中的空间在不断地增加，导致宇宙中的物质相互远离。宇宙膨胀的方式使我们寻找宇宙边缘成为了一个重大挑战。

宇宙膨胀遵循一个非常简单的定律：星系离我们越远，它离开我们的速度也越快。这个定律叫做哈勃定律，它由美国天文学家埃德温·哈勃在1929年发现。哈勃定律的比例常数叫做哈勃常数，它表示每兆秒差距的距离，星系的退行速度增加多少。目前对哈勃常数的最精确的测量是69.8±0.8 km/s/Mpc。这意味着，如果一个星系距离我们1兆秒差距（约326万光年），它就以69.8km/s的速度远离我们；如果一个星系距离我们10兆秒差距，它就以698km/s的速度远离我们；如果一个星系距离我们100兆秒差距，它就以6980 km/s的速度远离我们，以此类推。

这样一来，就会出现一个奇怪的现象：在一定距离之外，星系正在以比光速还快的速度远离我们。这听起来似乎是违背常理的，因为我们都知道，相对论的观点是，任何有质量的物体不可能超光速移动。光速是宇宙中所有有质量物体的极限。那么为什么遥远的星系以超过光速的速度远离我们呢？

其实，它们之所以能够以超过光速的速度远离我们，是因为空间在膨胀。相对论适用于一切有质量的物质，而并不适用于空间。空间可以以任何它想要的速度膨胀。理解膨胀定律的简单方法是，想象你站在一块无限延伸的橡胶板上，一直延伸到很远的地方，但你一直站在同一个地方，你可以在上面标个“X”。现在，这块橡胶板向各个方向延展，如果它延展速度为2倍。假设有一个星系，在离你1米的距离，现在变成了2米。而另一个星系离你10米远，把它扩大2倍，它就离你20米远了。所以在相同的时间内，一个星系移动了1米，而另一个星系移动了10米。事实上，你与各星系都在原地没有移动，是空间的膨胀让你与星系远离。

所以，宇宙膨胀意味着，我们的可观测宇宙向各个方向延伸了460亿光年，横跨920亿光年，而且每秒钟都在变大。想象你是一名跑道上的短跑运动员，如果你跑向终点线，可能会花上几秒钟的时间，但是现在想象终点线正在远离你，如果它以比你跑得更快的速度离开你，你永远也到不了终点。这就是我们在这里看到的宇宙，在一定距离之外，星系正在以比光速还快的速度远离我们。于是就有了一条叫做宇宙视界的线。我们在可观测宇宙中看到的97%的星系，都在这条线之外，这些星系我们永远也不可能到达。这条线就是我们的宇宙视界，它是我们能够观测到的宇宙的边缘，也是我们能够与之交流的宇宙的边缘。超过这条线的星系，我们永远也看不到，也永远也无法与之联系，因为它们的光永远也无法到达我们，它们已经从我们的宇宙中消失了。

宇宙的形状和边缘

我们已经知道了我们能够观测到的宇宙的边缘，但这并不代表宇宙就只有这么大。宇宙可能比我们能看到的要大得多，甚至是无限大。那么，宇宙的形状是什么样的呢？它有没有真正的边缘呢？

要回答这些问题，我们需要引入一个重要的概念，那就是宇宙的曲率。宇宙的曲率是指宇宙空间的几何性质，它决定了宇宙的形状和大小。宇宙的曲率与宇宙的密度和膨胀速度有关，它可以分为三种情况：

1、如果宇宙的密度大于某个临界值，那么宇宙的曲率是正的，宇宙的形状就像一个球面，宇宙是有限的，但是没有边缘，就像地球表面一样，你可以一直走下去，但是永远也走不到尽头。

2、如果宇宙的密度等于某个临界值，那么宇宙的曲率是零，宇宙的形状就像一个平面，宇宙是无限的，也没有边缘，就像一张无限大的纸张一样，你可以一直画下去，但是永远也画不完。

3、如果宇宙的密度小于某个临界值，那么宇宙的曲率是负的，宇宙的形状就像一个马鞍面，宇宙是无限的，也没有边缘，就像一个弯曲的空间一样，你可以一直走下去，但是永远也走不到尽头。

那么，我们的宇宙的曲率是哪一种呢？目前的观测数据显示，我们的宇宙的密度非常接近临界值，也就是说，我们的宇宙的曲率非常接近零，宇宙的形状非常接近平面，宇宙是无限的，也没有边缘。这意味着，我们的宇宙可能比我们能看到的要大得多，甚至是无限大，我们永远也无法探索宇宙的全部，我们永远也无法找到宇宙的边缘。

宇宙的未来和命运

我们已经了解了宇宙的边缘，但是宇宙的边缘是不是永远都是这样呢？宇宙的边缘会不会随着时间的变化而变化呢？宇宙的边缘又能告诉我们什么关于宇宙的未来和命运呢？

要回答这些问题，我们需要考虑宇宙的演化和膨胀。我们知道，宇宙是在大爆炸中诞生的，从一个极小的、极热的、极密的状态开始，经历了快速的膨胀和冷却，形成了我们今天看到的宇宙。宇宙的膨胀是由一种神秘的力量驱动的，这种力量叫做暗能量。暗能量是一种充斥在整个宇宙空间的能量，它与物质和辐射不同，它的性质是反引力，也就是说，它会使宇宙空间加速膨胀。暗能量占据了宇宙能量的70%，它是宇宙学中最大的谜团之一。

暗能量的存在和作用，决定了宇宙的未来和命运。根据暗能量的性质，宇宙的未来和命运可以分为三种情况：

1、如果暗能量的密度是恒定的，那么宇宙的膨胀会一直加速，宇宙的温度会越来越低，宇宙的结构会越来越稀疏，最终导致宇宙的热寂，这就是所谓的大撕裂。在这种情况下，宇宙的边缘会越来越远，我们能看到的宇宙会越来越少，我们与其他星系的联系会越来越难，我们的宇宙会变成一个孤独的岛屿。

2、如果暗能量的密度是随着时间增加的，那么宇宙的膨胀会越来越快，宇宙的温度会越来越低，宇宙的结构会越来越稀疏，最终导致宇宙的破碎，这就是所谓的大撕裂。在这种情况下，宇宙的边缘会越来越远，我们能看到的宇宙会越来越少，我们与其他星系的联系会越来越难，我们的宇宙会变成一个孤独的岛屿。

3、如果暗能量的密度是随着时间减少的，那么宇宙的膨胀会逐渐减慢，宇宙的温度会越来越高，宇宙的结构会越来越密集，最终导致宇宙的收缩，这就是所谓的大坍缩。在这种情况下，宇宙的边缘会越来越近，我们能看到的宇宙会越来越多，我们与其他星系的联系会越来越紧密，我们的宇宙会变成一个炽热的火球。

那么，我们的宇宙的未来和命运是哪一种呢？目前的观测数据显示，我们的宇宙的膨胀正在加速，暗能量的密度是恒定的，也就是说，我们的宇宙正在走向大冻结的命运。这意味着，我们的宇宙的边缘会越来越远，我们能看到的宇宙会越来越少，我们与其他星系的联系会越来越难，我们的宇宙会变成一个孤独的岛屿。

总结

宇宙的边缘是一个非常有趣和有意义的话题，它涉及了宇宙的起源、结构、演化、形状、大小、未来和命运。我们通过多种天文观测手段和方法，探索了我们能够观测到的宇宙的边缘，也就是宇宙的可见宇宙学地平线，它是我们能够与之交流的宇宙的边缘。我们发现，我们的宇宙的形状非常接近平面，宇宙是无限的，也没有边缘。我们的宇宙的膨胀正在加速，暗能量的密度是恒定的，也就是说，我们的宇宙正在走向大冻结的命运。这意味着，我们的宇宙的边缘会越来越远，我们能看到的宇宙会越来越少，我们与其他星系的联系会越来越难，我们的宇宙会变成一个孤独的岛屿。