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宇宙在加速膨脹,是否表明外面還有空間,宇宙之外有什麼?
2021/09/07
2021/09/07
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

在100多年前,當時的人們普遍認為宇宙是永恆不變的,即宇宙既沒有起點,也沒有終點,不管宇宙內的天體怎麼運動,宇宙始終保持永恆不變,以此建立的宇宙模型也被稱之為靜態宇宙模型。

直到愛因斯坦建立廣義相對論後,才逐漸打破了這一固有認知。狹義相對論統一了時間和空間,建立了全新的時空觀。1915年,愛因斯坦在狹義相對論的基礎上建立了廣義相對論,該理論中有一個非常重要的場方程,這一方程預言宇宙不可能是靜態的,會膨脹。奈何愛因斯坦當時也堅信靜態宇宙模型,認為是自己出錯了,又在場方程中加了個宇宙常數。如果該常數取值合適,就不會從方程中推出宇宙在膨脹這一結果。

在愛因斯坦發表廣義相對論之後,物理學界就有很多人相繼對其進行研究。1927年,比利時天文學家勒梅特就在此基礎上提出了宇宙大爆炸理論,認為宇宙由在很久很久以前的一個緻密熾熱的奇點爆炸膨脹而來。

在人類對宇宙的認識過程中,哈勃起到了至關重要的作用。

美國天文學家哈勃在對銀河外星系的長期觀測過程中發現大多數星系都存在光譜紅移現象,即星系都在遠離我們,宇宙在膨脹。一切波都適用多普勒效應,當星系遠離我們時,我們接收到的電磁波的頻率就會降低,在電磁波譜中會出現譜線紅移的現象。

1929年,哈勃根據觀測結果提出哈勃定律,發現距離我們越遠的星系,遠離我們的速度也就越快,即星系遠離我們的速度與它和我們的距離成正比。如果不是宇宙在膨脹,而是星系本身在運動,那麼有的星系肯定會靠近我們,光譜必然存在藍移而不是紅移,可事實上絕大多數星系都在遠離我們,並且在退行速度上也步調一致,那麼只有一種解釋,就是宇宙在等比例膨脹。經過多次觀測,現在科學家已經確認,宇宙在326萬光年尺度上的膨脹速率在70公里/秒左右。

正是哈勃的貢獻,讓我們認識到宇宙是動態的,在不斷地膨脹。之後的伽莫夫等人,則進一步完善了大爆炸理論,對宇宙的演化作出了詳盡的描述。

1964年,彭齊亞斯和威爾遜發現了宇宙微波背景輻射,更是成為了支持宇宙大爆炸理論的強有力證據。

時間到了20世紀90年代,科學家通過對IA型超新星的觀測,發現宇宙正在加速膨脹。宇宙加速膨脹的這一過程始于幾十億年前。主流觀點認為,導致宇宙加速膨脹的原因是暗能量。事實上,如果對愛因斯坦場方程中的宇宙常數取合適的值,也能夠得到宇宙在加速膨脹這一結果。觀測結果表明,暗能量約占了宇宙中已知物質總量的70%,正是它提供了驅使宇宙膨脹的動力。

現在科學家們已經知道,宇宙誕生于138億年前。宇宙的年齡是在哈勃常數等基礎上推出來的,哈勃常數就是宇宙的膨脹速率。經過不斷膨脹之後,現在宇宙已經變得非常的大,目前可以被人類觀測到的宇宙的直徑就有930億光年。而永遠無法被人類觀測到的宇宙,據推測直徑更是高達上萬億光年。之所以存在人類可觀察之外的區域,就是因為宇宙整體的膨脹速率已經遠超光速,而資訊(電磁波、中微子、引力波等)的傳播速度卻不能超過光速,這意味著這些資訊永遠不可能觸及到我們,當然也就觀察不到。

宇宙有大小,在膨脹。根據我們的經驗,宇宙之外肯定還有多餘的空間,那宇宙之外究竟有什麼?

根據傳統思維,這確實是個問題。不過根據我們對宇宙的定義,宇宙包含一切物質,以及所有的時間和空間。物質、時間和空間三位一體,不能單獨存在,那麼即使宇宙在膨脹,也並不意味著宇宙之外還有空間,因為宇宙膨脹到哪兒,哪兒才存在時間和空間。也就是說,按照現有的認知,宇宙並不存在外面這個概念。

如果宇宙真存在外面,那在我們這個宇宙之外可能還存在著若干甚至無數個與我們相同或者相似的宇宙。人類所在的這個宇宙可能只是整個宇宙海洋中的其中一個,而宇宙和宇宙之間的區域則可能是一片混沌虛無。這時又有人要問,宇宙海洋是怎麼來的?宇宙海洋是有限的嗎?宇宙海洋的外面又是什麼?總之,最後會陷入無窮無盡的套娃式疑問之中。

由于宇宙正在加速膨脹,所以宇宙的命運可能也已經確定,最終會走向大撕裂,一切星系乃至原子,最終都會歸于虛無。結果究竟如何,這還有賴于人類對暗能量性質的進一步研究。

 

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