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宇宙的边缘在哪里

2020 / 11 / 20新浪科技
Tags 宇宙

11月20日消息,当伽利略在1610年首次用望远镜看向宇宙时,他发现了隐藏在银河系中的“无数恒星团”。自那以后,我们的宇宙已成倍增长。大约三个世纪后,当天文学家制作了更先进的望远镜并发现银河系只不过是“宇宙中众多星系”中的一个时,宇宙的边界再次向外延伸。很快,他们发现,宇宙也在膨胀,星系之间的距离越来越远。

如今,越来越大的的望远镜已经告诉我们,可观测的宇宙直径可达到难以想象的920亿光年,其中大约包含2万亿个星系。但是,天文学家仍不知道,在已知的宇宙之外,到底还有多少未知的宇宙。

加州大学欧文分校的弗吉尼亚·特林布尔说:“宇宙总是比我们看到的更大。”

制造更大的望远镜对扩大宇宙的边缘已经无济于事。“望远镜只能看到可观测的那部分。我们看不到宇宙诞生之前的过往,”NASA哥达德空间飞行中心的宇宙学家、诺贝尔奖得主约翰·马瑟解释说,“所以,我们的视线完全受到了限制。我们已经竭尽所能,看到能看见的一切了。”马瑟也是詹姆斯韦伯太空望远镜的首席科学家。在宇宙边缘,我们看到了大爆炸遗留下的光辉,即所谓的宇宙微波背景辐射(CMB)。然而,这还不是宇宙的魔法边缘。我们的宇宙仍在不断前进。我们可能永远不知道边缘在哪里。

最近几十年,宇宙学家一直试图通过先确定宇宙的形状,来解决这个谜团,就像古希腊数学家埃拉托色尼用简单的三角函数计算地球的大小那样。理论上,我们的宇宙可能具有三种形状中的一个,到底是哪种形状取决于空间本身的曲率:鞍形(负曲率),球形(正曲率)或扁平形状(没有曲率)。

鞍形宇宙的支持者比较少,而球形宇宙对我们地球人来说似乎更加容易理解。我们的地球是圆形的,太阳和其他行星也是圆形的。一个球形宇宙意味着,你可以在宇宙中向任何一个方向前进,最终仍可以回到起点,就像麦哲伦和他的船员环游地球一样。爱因斯坦将这个模型称为“有限而无界的宇宙”。

但是从二十世纪八十年代后期开始,为研究CMB而建造的一系列轨道观察站进行了越来越精确的测量。测量数据显示,宇宙根本没有曲率。至少,在天文学家可测量的有限范围内,宇宙是平坦的。假如宇宙真的是一个球形,那么这将是一个无比巨大的球体,以至于我们观察到的整个宇宙都不足以显示出任何曲率。

“宇宙平坦得仿佛像是一张无边无际的纸,”马瑟说,“若是如此,你可以向着任何方向无止境地前进,而宇宙几乎不会有多少变化。”你永远无法走到平坦宇宙的边缘;你只会发现越来越多的星系。

大多数天文学家对此没有异议。一个平坦的宇宙既符合观察也符合理论。所以,扁平宇宙论是现代宇宙学的核心。

但问题是,不同于球形宇宙,一个扁平的宇宙既可以是无限的,也可以是有限的。而且,我们也没有一个真正的方法可以辨别差异。“你根据什么来区分一个扁平的宇宙是不是无限的呢?”特林布尔说,“没人知道。”

因此,天文学家寄希望于理论:一种可以提供间接证明的模型。例如,物理学标准模型预测了许多粒子的存在,例如著名的希格斯玻色子。即便尚未真正发现,物理学家仍认为这些粒子真实存在。

“如果你对目前观察到的一切有一个很好的解释,并且这个解释也可以做一些准确的预测,那么你就会倾向于相信事实就是如此,”特林布尔说,“这就是大多数科学家眼中的科学。”