宇宙並非無限的嗎?那麼宇宙之外有什麼?「曉涵哥來了」

大家好我是曉涵哥今天我們來聊千百年來當我們仰望星空都會思考一個問題這個宇宙到底有多大宇宙之外又是什麼一番景象人類可能在未來的幾百上千年甚至永遠也搞不清楚這些問題(取決於人類存在的時間)但是我們還是可以透過目前人類的一些「渺小」的發現來分析一下宇宙之外到底有什麼我們提到宇宙在討論它有多大時在討論它有多大時總會形容宇宙是無限大的宇宙這個詞來源於宇宙這個詞來源於2000多年前的莊子「宇」是指上下四方即空間「宙」是指古往今來即時間那麼宇宙就是空間和時間的結合如果空間是無限的不好理解那麼時間是否是無限的呢時間在我們看來好像沒有盡頭按照目前我們對時間的理解時間就是物質存在的一種客觀形式是物質過去現在和將來運動的一種連續表現只是時間是以線性的方式只是時間是以線性的方式還是螺旋線性的方式還是其它我們還未曾了解的方式表現尚不清楚但可以看出時間是隨着物質變化而變化的物質不會憑空產生也不會憑空消失而時間作為物質的客觀存在方式以及物質運動變化的連續性表現通過一系列觀察和計算人類已經估算出了目前宇宙的年齡是138億年如果宇宙是存在年齡的那麼就說明時間是有限的宇宙是時間和空間的結合那麼就說明宇宙是有限而不是無限的因為在有限的時間裏是不可能創造出無限的宇宙的宇宙很有可能是有限的在日常生活中我們一定聽過火車的聲音當火車迎面駛來的時候你聽到的聲音越來越高當火車遠離時你聽到的聲音越來越低這個就叫做多普勒效應是奧地利物理學家多普勒(Christian Johann Doppler)1842年在觀察火車時提出的就是物體發出的波長因為波源和觀察者的相對運動而變化觀察者在運動的波源前面波被壓縮波長壓縮後就變短了頻率就變高了叫做藍移相反波源遠離觀察者波長變長頻率變低叫做紅移因為可見光里波長最長的就是紅光根據這一聲波的藍紅移程度可以計算出波對於觀察者的運動速度多普勒效效應不僅適用於聲波也適用於其它所有類型的波比如電磁波1912年美國天文學家維斯托·斯里弗(Vesto Melvin Slipher)等人發現恆星的的光波頻率也會隨着距離的增加而不同如果恆星遠離我們則光的譜線就向紅光方向移動即星系紅移反之就是藍移他發現星系中的紅移現象要遠遠大於藍移現象這就說明幾乎所有的星系都在遠離我們而去1931年埃德溫.
哈勃(Edwin Hubble)就是那個哈勃望遠鏡的哈勃在這個基礎上進一步發現宇宙中幾乎所有的星系都具有紅移現象而且星系的紅移速度和該星系離我們的距離成正比也就是說越遠的星系離開我們的速度就越快這就是哈勃定律既然星系都在遠離而且速度越來越快這說明宇宙正在膨脹並且是加速膨脹第一個提出宇宙膨脹的並不是哈勃而是奧地利的天文學家喬治.勒梅特(Georges  Lematre)所以哈勃定律也叫做哈勃-勒梅特定律更重要的是1931年勒梅特進一步提出宇宙之所以在膨脹就是因為宇宙有一個起始之點就像是上帝創世時創造的一個「原生原子」這個原生原子就是後來我們所說的「奇點」(天文學上讀qi)就像一個小小的種子一樣成長成一顆參天大樹這個學說就是後來我們熟知的「宇宙大爆炸」理論這在當時是一個非常超前的理論很多天文學家都感到驚恐反對認為是無稽之談但是隨着之後的一系列重要的觀測發現我們的宇宙很有可能就是起源於一場爆炸其中最重要的證據就是宇宙微波背景輻射(CMB,
Cosmic Microwave Background)1965年美國貝爾實驗室的兩名工程師阿諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特·威爾遜(Robert
Wilson)為了改進衛星通訊建立了高靈敏度的雷達天線但他們總是能收到一些的背景噪音他們甚至清楚掉了雷達天線上的鳥糞還是不能消除噪音後來人們根據他們的這一發現確定了這種噪音是來自於宇宙微波背景輻射即宇宙大爆炸遺留的熱輻射就是那個最初的奇點在爆炸後38萬年後的熱輻射殘留物當時的宇宙半徑大概是4000多萬光年宇宙經過138億年的加速膨脹後才形成了現在的大小由於宇宙微波背景輻射的發現讓宇宙大爆炸理論成為了現在最普遍接受的觀點那麼我們現在基本確定了宇宙的幾個特徵就是宇宙來源於一個奇點的爆炸宇宙正在加速膨脹並且最遠的地方膨脹速度超過了光速(空間膨脹速度並不違背廣義相對論)那麼如果宇宙正在膨脹那為什麼我們離太陽和月球的距離並沒有增加呢這是因為宇宙膨脹並不會改變地球和太陽之間的距離因為星體之間有萬有引力和電磁力在太陽系的尺度上萬有引力就像一根無形的繩子一樣讓太陽系的各個星體緊緊保持在一起宇宙膨脹只是時空本身在膨脹不會改變(銀河系內)星體之間的相對位置由於太陽系又是圍繞着銀河系中心的超大質量黑洞旋轉所以銀河系內星體的距離也不會隨着膨脹而增加但是銀河系外除了少數屈服於銀河系的矮星系(小星系)和因為引力相互吸引的星系(仙女座星系)和因為引力相互吸引的星系(仙女座星系)在靠近銀河系外其它所有的星系都在遠離銀河系你可以想像現在的宇宙就像一個被不斷吹大的氣球而星系就像是氣球上表面上的點隨着氣球的增大點和點之間的距離就越來越大而只要時間夠長最終銀河系周圍會是一個空空的什麼也沒有的暗黑空間在搞清楚宇宙外面是什麼之前我們要確定宇宙到底有多大現在宇宙叫做可觀測宇宙(observable universe)是一個以觀測者為中心的球體空間我們之所以可以觀測到宇宙最遠的地方是因為光我們的眼睛接收到了這些從最遠處發過來的光目前可以觀測到的最遠的光來自於離我們138億光年外的地方那就說明如果以地球為中心我們可以觀測到的宇宙半徑是138億光年但這只是這個光在138億年前的樣子由於宇宙在不斷膨脹這個光現在的位置會遠遠超過138億光年所以可觀測宇宙的半徑要乘以哈勃的宇宙的膨脹系數這樣得出來的宇宙半徑是465億光年那麼目前這個可觀測宇宙的大小就是465X2=930億光年那這個直徑930億光年的宇宙是否就是宇宙的真實大小呢並不是真實的宇宙很可能比這個大得多既然宇宙是由一個點膨脹而來並且還在不斷膨脹那麼就算它再大也應該是有限的宇宙如果是有限的它就一定有個形狀相對論解釋了時空是可以彎曲的所以宇宙的形狀很有可能所以宇宙的形狀很有可能是一個球狀結構霍金在《時間簡史》中提到了愛因斯坦對於宇宙的解釋就是「有限無邊」就是說愛因斯坦認為宇宙是有大小但是沒有邊界的他認為由於空間被宇宙中的各種物質能量彎曲最終會閉合成一個三維的超球面(hypersphere)那麼宇宙很有可能就是一個球狀結構這就好像生活在地球上的我們無論怎麼走都不能碰到地球的邊界一樣只是這個球體和我們三維世界裏的球體不太一樣球狀宇宙的證據還有很多其中最經典的一個就是其中最經典的一個就是如果我們從地球上觀測似乎各個方向上宇宙的景象都大致相同那麼如果是這樣就有一個大膽的推想了會不會某一個我們觀測到的最遙遠星系就是我們銀河系本身呢因為光已經繞着這個球狀宇宙走了一圈我們看到的最遠的東西其實就是我們自己並且我們從來也不知道銀河系真正的樣子根據宇宙微波背景輻射的分佈宇宙也有可能是一個比超球體更複雜的十二面體這是2003年一個法國的天文觀測團隊提出來的我們的宇宙很有可能是一個基於十二面體的奇怪的拓撲結構這種結構使你從任何一個面走到底都會從相對的那個面走回來還有人認為宇宙就像一個連通的甜甜圈結構這也是一種拓撲結構是由兩位前蘇聯天文學家提出的這也說明了宇宙在某種程度上是連通的星系在這個甜甜圈表面隨着甜甜圈的不斷膨脹而遠離還有一種可能宇宙是平坦的並不是說宇宙是像紙一樣是絕對平面的而是整個宇宙對光的引力是絕對均勻的宇宙也是一個龐大的物質-能量體宇宙中小小的一個黑洞都能吸引光子宇宙那麼大也是可以影響光的假設宇宙是一個球體那麼兩條平行的光線在這個龐大的球體引力作用下就一定會發生彎曲而最終相交如果宇宙是曲面的那麼這兩條光線就一定會離得越來越遠但是這一切沒有發生138億年來所有的光都是沿直線傳播的這就推導出了宇宙是平坦的結果只有一種可能就是可觀測宇宙之外還有一個更大的宇宙它並不是平坦的有可能是彎曲或者球體的只是我們觀測不到而已因為這個曲率對於人類目前的觀測手段來說可能太小還無法測量出曲面這個可觀測宇宙的的邊界就叫做宇宙視界(Cosmic Event Horizon)是指以地球為中心人類能接收到的宇宙電磁波傳來的最大範圍超過這一範圍光也達不到地球所以這個視界以外的空間就是我們可觀測宇宙的「外面」因為宇宙大爆炸還沒有膨脹到那個地方可以想像這個外面就是為宇宙的最終形態所預留的空間如果宇宙就像一個正在不斷膨脹的氣球那麼這個氣球遲早有一天會膨脹到極限而破裂那麼一切都會回歸原點因為宇宙是有年齡的那麼宇宙就一定是有壽命的那麼這個外面可以理解為「暗空間」就像暗能量和暗物質一樣我們無法觀測到它們但是各種現象表面它們又必須存在因為觀測不到不了解它們的屬性所以才取名為「暗」那麼暗空間也是可能存在的至於暗空間裏面有什麼很可能什麼都沒有沒有時間和空間在宇宙還沒有膨脹到的地方是什麼都沒有的另一種可能就是我們這個真實宇宙之外(包括可觀測宇宙)是一片無比廣闊的超空間在這個超空間里存在着無數個宇宙首先有一種就是平行宇宙平行宇宙是很多科學家並不認同但現在又逐漸接受的一種假說因為平行宇宙不可觀測也很難使用物理常識推導但是它確實可以解釋很多不可解釋的時空悖論現象根據量子理論一件事件發生之後可以產生不同的後果而所有可能的後果都會形成一個宇宙這類宇宙所遵守的基本物理定律和我們這個宇宙相同這裏有我們這個世界的無數個可能也有無數個版本的你這些平行宇宙也和我們的可觀測宇宙一樣在不斷膨脹所有的平行宇宙都存在於這個巨大的超空間里它們像一個一個的小氣泡有的距離非常遠但是有的距離很近甚至某些部分都重合到了一起這種重合現象可能會引起我們這個宇宙的一些變化比如曼德拉現象就是其他平行宇宙中同一件事情的不同結果影響了我們的記憶當然這只是一種基於平行宇宙存在的猜測這些平行宇宙的數量非常多但很可能它們也是有限的在這個超空間中另一種可能是存在着和我們宇宙的物理法則完全不同的宇宙這些宇宙是基於弦理論的因為基於弦理論的額外空間維度這些宇宙的形狀可能多達幾萬億個多達幾萬億個就是它們的形狀各不相同那麼這些宇宙很有可能像我們這個宇宙一樣存在生命有的可能完全沒有生命甚至連恆星和星系都沒有是尚未成型或者失敗的宇宙這就是多元宇宙論這就好比在一個實驗室里為了培養微生物而在很多個培養皿中加入培養基一樣有的可以長出益生菌有的完全長不出來我們的地球就恰好處於那個成功的培養皿中看到這裏又延伸出了一個更大的疑問如果存在這個超空間那這個超空間之外又是什麼呢在探討這個問題之前我們先來看一個理論叫做宇宙暴脹理論根據宇宙微波背景輻射我們在測量這些不同星體的輻射溫度時應該是有高有低的比如爆炸出去的物質會有先後順序拋的遠的就溫度低近的就溫度高但是令人非常詫異的是當人們試着去測量這些輻射溫度時發現不論是測量來自於宇宙哪一個方向的溫度它們的溫度幾乎都是相同的這就好比我們在地球上測量我們左手方向138億光年的地點A再測量我們右手方向138億光年的地點B它們的溫度都是相同的除非地球就是宇宙大爆炸的奇點位置所以宇宙大爆炸的支持者們就提出「宇宙暴脹理論(Inflation
Theory)」就是說宇宙在大爆炸之後沒有立刻膨脹而是等物質和能量在一個極小的範圍內「充分融合攪拌」後才進一步加速膨脹這樣就導致宇宙中所有星體輻射溫度都差不多這次加速膨脹好像就是要趕時間一樣在這之後宇宙的膨脹速度又下降了繼續以這個速度膨脹至今這就好比有一輛巴士巴士司機一直在城市裏慢悠悠地轉等車上上夠了乘客司機才對乘客們說大家坐好了我們現在要正式出發瞭然後才加速前進當加速到一段時間後感覺可以差不多以慢一些的速度到達終點後就放緩了速度然後最終還是以規定的時間到達終點這個簡直就是不可理解宇宙為什麼會做出這樣非同尋常的舉動這不像是一種巧合而像是一種提前設計的結果因為這個暴脹理論存在一定的非自然性那麼我們現在的宇宙甚至宇宙之外的超空間都是一個更高維度甚至是超越更高維度的存在因為宇宙大爆炸就說明宇宙是有限的即使這個超空間也是有限的或者是需要東西承載的只是我們永遠也搞不清楚這個承載物是什麼這就好比我們開發了一款遊戲加載一個無限大的地圖賦予遊戲里的人物一定的智能讓它們在這個無限大的世界裏自由的發展那麼隨着這個遊戲的進展這些遊戲人物遲早有一天也會思考這個看似永遠也沒有邊界的世界外面究竟是什麼它們能想到電腦前正在觀察它們的我們嗎恐怕是有可能的因為我們目前的宇宙從最小尺度到最大尺度上都是有關聯性的就像我們開發的遊戲也都是基於我們現實的生活去開發的只是可能更誇張和荒誕那麼這些遊戲人物如果有一天也這樣想就是它們能感知到這個宇宙「外面」的時候了所以對於我們來說這個超空間和所有的一切之外也可能存在着「觀察者」它們也許和我們人類差不多也可能和我們完全不同我們也許永遠我們也許永遠也無法看到它們但總有一天我們能感知到它們的存在如果真的存在觀察者那麼在它們看到這個視頻的時候一定也會發笑吧只是對於這些觀察者來說他們的世界之外又是什麼呢這個時候觀察者也收起了笑容因為這個也是它們想要搞清楚的問題PEACE OUT