你有答案吗?困扰天文学家多年的问题:宇宙之外是什么?
现在人们常用宇宙来代表地球大气层之外的广阔空间。我们对这个空间知之甚少,甚至人类现在能到达的最远距离也不过是离开太阳系而已。
人类对宇宙的研究仅限于观察。我们可以用光学望远镜看到所有能向地球传输光线的天体,用射电望远镜探测所有天体发出的不可见电磁波,甚至用卫星探测器收集宇宙的微波背景辐射。
无论我们用哪种方法,都无法真正看到宇宙的外部。人类哈勃体积的直径只有930亿光年。宇宙的观测之外一定有很多空间,但是我们根本看不到,所以我们无法知道再往前走会不会有宇宙的边界。
理解一个事物或现象的最好方法是观察。人类通过观察和实验,了解宇宙的各种未知。当我们永远无法观察到一个现象时,我们所能做的就是根据现有的条件进行推测。
首先,我们应该都非常熟悉一个宇宙诞生的理论——大爆炸理论。在这个理论中,宇宙原本是一个质量无限大、体积无限小的奇点。有一天,这个小点被自己的压力压垮了,爆炸了。
在奇点爆炸之前,没有活动的物质,没有物质的变化,所以也就不会有自然时间,因为时间其实是我们感知到物质的变化之后才会产生的概念。
爆炸之后,宇宙在极短的时间内发生了巨大的变化。这时,宇宙的直径已经扩大了很多。膨胀之后,在强大的能量冲击下,无数正反物质开始出现。
理论上,正负物质都是成对出现的,所有的正负物质在碰撞时都可以还原到原来的能量。但由于一点意外,出现了更多的正物质,从而形成了现在我们眼中以物质为主的宇宙环境。
大爆炸之后,宇宙的温度开始下降,能量转化而来的正负物质开始向四周扩散,宇宙的范围在逐渐扩大。
在我们的观念中,世界上所有的现象都应该是可重复的。既然有一个奇点可以通过爆炸演化成我们现在的宇宙,那么宇宙之外应该还有另一个甚至无数个奇点反复爆炸。
于是这无数个爆炸的奇点形成了宇宙,可能和我们现在的宇宙完全不同,甚至可能有完全不同的物理规则,当然也可能和我们的完全一样。
然而,多元宇宙无法合理解释宇宙之外是什么,因为它实际上只是一个玩偶般的答案,最终不可避免地需要我们研究“多元宇宙之外是什么”这个问题。
一些科学家认为,宇宙的大小和质量是有限的,但它不会有边界。这种说法比较难理解。
简单来说,BIGBANG的方向一开始就是360度无死角,所以物质就像吹泡泡一样,以奇点为中心,以球体的形式向外膨胀。例如,这可能就像吹气球一样。
事实上,我们生活的地球也可以近似视为一个没有边界的有限大小的存在。我们从地球上的任何一点出发,朝着一个方向前进,最终在一次环球旅行后,我们会回到原点。这个所谓的无边界理论大概就是这个意思,但问题是地球其实是有边界的,边界在大气层之上。
膨胀的气球也有边界。气球表面往上走就是宇宙的边界。那么在这个未膨胀的宇宙中,哪个方向是向上的呢?这个问题没人能回答。
在著名的超弦理论和M理论中,有一个解释宇宙存在形式的分支,就是电影宇宙学。电影宇宙论认为,我们存在的宇宙,其实就像是镶嵌在更高维度的电影中的一颗珠子。
对于这部电影来说,我们的宇宙只是它的基本粒子,所以这部电影中有无数个和我们的宇宙几乎甚至相同的三维宇宙。
这其实是多元宇宙理论的升级版。唯一不同的是,所有的宇宙都存在于一个更高维度的空间,而不是同一个三维空间。在膜宇宙中,如果能突破宇宙的边界,就能进入更高维度的世界。
根据科学家的观测,认为宇宙的寿命应该是654.38+03.73亿年左右。但是从直径为930亿光年的哈勃体积中,我们可以很快得出一个结论:宇宙的扩散速度超过了光速。
但是我们也知道,粒子和有质量的物质永远不可能达到光速,更不用说超越了它。宇宙之所以膨胀得比光速还快,其实是因为,其实并不是宇宙的物质在以超光速远离我们,而是天体之间的空间在以极快的速度膨胀。
在爱因斯坦的广义相对论中,宇宙的空间不是直的,可以扭曲和拉扯。例如,太阳附近的空间由于太阳本身的重量而弯曲变形。
这个变形的空间就像一块被石头砸沉的拉伸的床单。当其他物体进入这个洼地时,所有物体与太阳之间会有一个相对速度。
所以这些物体会一直沿着凹陷的内壁,围绕凹陷中心的太阳旋转。因为太空中的摩擦力几乎可以忽略不计,所以太阳周围的行星可以保持几百亿年的旋转,而不会落入凹陷的中心。
本来空间是平的,但是只要空间里有物质,周围的空间就会弯曲,而BIGBANG让物质出现,同时空间也变得曲折。
那么首先我们可以得到一个答案,那就是在宇宙爆炸产生的物质尚未到达的空间中,如果存在空间,那么这个空间至少是直的。
如果没有空间,答案更简单,会说明宇宙是有边界的,宇宙中所有的物质都无法跨越这个边界。即使宇宙物质的扩散可能使边界后退,边界还是会存在。
世界分为两个世界:边界后面有物质的空间和没有物质的世界。所以我们只能说宇宙之外什么都没有,甚至可以说宇宙没有外部,因为我们无法理解一个没有空间和物质的世界是什么样子的。
当然,科学家还是更倾向于宇宙之外有空间。当物质扩散到这些平坦的空间时,宇宙就会变得扭曲。
上面描述的宇宙膨胀的速度比光还快,因为有物质的宇宙是扭曲的,持续的扭曲让宇宙之外的物质似乎离我们越来越远。
总之,现在我们可以得出两个结论,要么宇宙之外什么都没有,要么宇宙只有一个没有物质的扁平空间。
其实研究宇宙之外的东西意义不大,因为我们无法有效观测的宇宙只是一个半径为465亿光年的大球体。
在更远的宇宙中,由于空间的扭曲和膨胀,距离我们465亿光年的物质速度已经超过了光速,它们发出的光再也无法到达我们这里,因此我们无论如何也看不到或感知不到这个范围之外的东西。
于是地平线就形成了。其实相对于不一定存在也不知道以什么形式存在的宇宙边界,视界更像是属于我们的宇宙边界。
发生在我们附近的一切都不会影响视界之外的宇宙。原因很简单。连信息都传递不了。哈勃体积之外的物质对我们来说相当于不存在。
信息一般以光速传播,物质永远不可能超过光速,所以看不见的世界影响不了我们,我们也影响不了他们。
视界的存在也阻止了我们对宇宙边界的研究。无论我们如何猜测宇宙边界的存在形式,我们永远无法通过观察或任何其他手段来验证这些猜测,无法验证的观点永远是不确定的。
因为视界,我们无法研究宇宙的真正起源和宇宙的存在形式,这些问题都没有答案,这将成为我们物理学发展的最大障碍。
我们人类一直非常善于观察现象,然后利用现象的原理来改进我们现有的技术。所以我们可以在这里开个脑洞,既然视界之外的宇宙因为物质对空间的扭曲和空间的膨胀而超出了光速。那么只要我们能开发出扭曲空间的技术,是不是意味着我们也能达到看似超光速的效果呢?
目前我们所知道的扭曲空间,就是用一个大质量把它压成扭曲。有没有其他扭曲空间的方法?比如一张直板,不仅可以被石头压下,还可以被夹子扭曲变形。
这个脑洞其实就是曲率飞船的一般原理。当然,以人类目前的技术还无法实现空间扭曲的功能,曲率飞船也只能存在于科幻小说中,但这个脑洞的存在还是能让很多人感到一丝希望。也许在未来的某一天,人类能够突破视界,到达宇宙的边界,亲眼看看宇宙的边界到底是什么样子。
事实上,思考和研究宇宙的起源和宇宙边界的可能状态,需要庞大的知识储备。否则,只是幻想。比起猜测,我们更应该做的是多了解现有的知识,然后用这些知识去研究这些未知的现象。
宇宙的起源和宇宙的边界其实是同一个问题。如果能得到答案,就能准确了解物质的存在形式和宇宙未来的发展方向,这需要科学家们努力去研究。