哈勃体积,或者更通俗地说,可观测宇宙,是一个以我们为圆心的球状区域,它小到足以让我们看见其中的天体,换句话说,就是那些天体所发出的光芒有足够的时间旅行至我们的视线之中。 我们常谈及的宇宙直径,那930亿光年的数字,实际上是可观测宇宙的尺度,这让我们能够理论上见证星系、星团以及其他物质结构的壮丽景象。 然而,在465亿光年之外的不可视区域,仍旧归属于我们的宇宙范围,而超出这个范围的,根据暴涨理论的推测,可能存在一个与我们毫无干系、不存因果的多元宇宙。尽管如此,这一切都尚未得到科学的实证。 那么,问题来了:一个仅有138亿年历史的宇宙,怎会有930亿光年的广袤?为何我们无法窥见可观测边界之外的宇宙?而那些在我们宇宙之外的宇宙,它们又是如何诞生的?回答这些疑问,似乎能为你解开诸多谜团。 大爆炸理论的提出,为我们描绘了宇宙现存物质结构的形成与演变,但同时也抛出了新的谜题:那个被称为“奇点”的高温、高密度、充满物质与辐射的状态究竟从何而来?这正是宇宙学家面临的一大难题。大爆炸理论并未告诉我们最初的状态,这让我们认为它并不完备。除此之外,还有其他问题待解: 微波背景辐射的密度涨落从何而来?它是形成一切物质结构的基础,也可称为“结构的种子”。 宇宙在大尺度上呈现出的均匀物质分布之谜。 数十、甚至数百光年之外的宇宙区域,彼此间并无信息交流,为何空间温度却如此一致?即微波背景辐射所显示的,宇宙各处的平均温度为2.725K。 为何空间如此平整?也就是说,我们的可观测宇宙与零曲率宇宙几无二致。 这些问题都是大爆炸理论未能解答的,然而在其他方面的成功又使我们难以质疑其正确性。因此,科学家们推测,大爆炸理论必然有所不足,或许在大爆炸之前存在着某种未知状态。 1980年,美国科学家阿兰·古斯提出了暴胀理论,它假设在大爆炸之前,宇宙中尚不存在任何物质与辐射,唯一的是充满空间的真空能量。真空能量的量子场波动导致空间各处不同位置发生指数级的膨胀,就像一锅在煤气灶上炖煮的浓汤,汤中不同位置会冒出气泡。 每个膨胀的区域最终形成一个独立、互不相连的宇宙。这就是暴胀理论对于多元宇宙的猜想,但这一猜想同样未能得到证实。它意味着,在我们的宇宙之外,存在其他宇宙,也就是说,在宇宙之外,还存在着空间。我们的宇宙与其他宇宙一起,漂浮在一个更大的母宇宙之中。 然而,在我们的宇宙内部,为何有可观测与不可观测之分? 在单一暴涨的泡沫中,诞生了我们的宇宙。真空能量引发了空间的指数级膨胀,空间迅速被拉伸,无论原本宇宙的形状如何,暴涨结束后,都会变得平坦无异。正如前面描述的从a到d的过程。 真空中的能量波动随着空间膨胀也被迅速拉伸至我们宇宙的每一角落。在暴涨结束后,一部分真空能量转变为物质,我们称之为宇宙的再加热,这一过程产生了大爆炸的初始热状态。能量的微小波动为未来的物质结构提供了微小的密度不均匀,微波背景辐射的密度涨落也源自此处。 而真空能量的大部分则被封存,成为我们现在所称的暗能量。 要明确的是,从宇宙诞生至今,甚至直至未来,它一直在膨胀,而且膨胀速度远超光速。 经过再加热阶段后,大爆炸启动,随之而来的是粒子间高能的撞击,创造出了我们今天所知或未知的所有基本粒子。然而直到大爆炸后38万年,宇宙的膨胀与冷却才使得中性原子得以形成。 但那时,宇宙中尚不存在恒星或星系,这些发光的物质结构是在宇宙诞生后五千万至一亿年间逐渐形成。可以想见,当恒星形成并开始放射光线,那时的宇宙已经膨胀至无法丈量的边界。 离我们较近的星系,其光线可以在较短时间内抵达地球,而较远的星系则需花费更长时间。也就是说,星系越远,光线抵达所需时间越长。 由于光速的限制,如果宇宙处于减速膨胀状态,那么即便星系再遥远,他们的光线最终都会到达地球,也就是说我们的可观测范围是不断扩大的,未来将能看见更多星系。 然而,由于暗能量的作用,宇宙在诞生后45亿年进入加速膨胀阶段,这意味着那些光线尚未到达地球的星系将永远无法触及我们的视线。 而那些已经在我们视线内的,我们将有幸看到它们,但最远的也只能是460亿光年范围内的星系,这便是我们的可观测宇宙。那些光线未曾到达地球的星系,则位于可观测宇宙之外。 总结一下:由于暴涨初期量子场的波动,空间在不同点开始暴涨,形成了各自独立的宇宙,这些宇宙之间不存在因果关系,有科学家认为,某些区域的暴涨仍在继续,意味着新的宇宙泡沫仍在不断形成。 在我们的单个宇宙中,由于光速的限制与持续的膨胀,有些星系形成后的光线永远无法抵达地球。因此,我们仅能看见那些光线已抵达我们所在之地的星系,这个范围便是我们的可观测宇宙。 |
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