【最远的星系】

  我们的国家有边缘,我们的地球有边缘,太阳系有边缘,甚至整个星系也有边缘。那么宇宙是否有边缘呢?作为人类,我们很想知道宇宙是否有边缘?整个宇宙是否有极限?

  那么天文学家能给出答案吗?很遗憾,他们也给不了确切的答案。

  虽然没有确切的答案,但科学家一直在尝试了解宇宙是如何运行的,以及它是否有边缘。

  2016年,哈勃太空望远镜转向大熊星座的一片黑暗的天空,它捕捉到了一个模糊的光点。这束光来自一个名为Gn-z11的遥远星系,这是我们观测到的最遥远的星系。

  但这是宇宙的边缘吗?

  

宇宙有边缘吗?有 也没有 宇宙 第1张


  

宇宙有边缘吗?有 也没有 宇宙 第2张


  

宇宙有边缘吗?有 也没有 宇宙 第3张


  我们周围的宇宙充满了星系,所以我们很自然地会说:“会有最后一个星系吗?如果我们能够旅行到那个星系,向着我们认为是空无一物的宇宙空间望去,会看到什么呢?”

  这是个很难回答的问题,因为我们能看到的距离是有限的,这一切都归结于光速和宇宙的年龄。光的传播速度非常非常快,但不是无限快。

  从人的肉眼观察,光的旅行似乎根本不需要时间。你打开窗帘,光线充满整个房间。但在浩瀚的宇宙中,光从一个地方到另一个地方是需要时间的。即使是约1亿5000万公里远的太阳,光也需要8分钟才能到达我们地球。

  当你看星星的时候,我们开始用光年来测量距离,因为光从那些星星到我们这里需要很多年。当你观察星系时,你所观察的星系有数百万或数十亿光年远。

  当我们看到Gn-z11星系发出的光时,我们看到的是134亿年前发出的光。

  目前我们找不到比这更远的星系。因为宇宙只有138亿年的历史,而星系的形成需要一定的时间,所以我们将不会发现比这个更远的星系了。

  也许还有比这个星系更远的星系,但是在宇宙的年龄时间内,光是不可能到达我们这里的。这意味着我们所能看到的宇宙的边缘,存在一个严格的限制,就是由宇宙的年龄所决定。

  Gn-z11是在宇宙大爆炸后的4亿年形成的,在那之前,没有发光的星星,只有非常非常热的气体,这些气体形成了一个壳,外层是宇宙微波背景辐射。它是宇宙中最古老的光,是宇宙诞生和大爆炸的回声。

  

宇宙有边缘吗?有 也没有 宇宙 第4张


  我们能看到的最远的东西这就是宇宙微波背景,我们称之为可观测宇宙的边缘,所以我们有一个可观测的宇宙,但在这外面,即使有东西存在,我们也不可能看到它们,因为光到现在还不可能到达我们这里。

  顾名思义,可观测宇宙就是我们能看到的宇宙的一部分。你可以想象有一个聚光灯,以地球为中心向四周照射,我们只能看到聚光灯的边缘而不能看到更远的地方。

  但随着地球的移动,可观测宇宙也会随着移动。对于生活在 Gn-z11 星系的外星人来说,可以观测到宇宙中完全不同的部分。这个遥远的星系在我们可观测宇宙的边缘,我们也在他们可观测宇宙的边缘。

  【空间的膨胀】

  当天文学家使用哈勃太空望远镜精确测Gn-z11的距离时,他们发现了令人震惊的事情:它距离地球有320亿光年远,比想象的要远三倍。

  既然没有东西能比光速更快,我们测量到这个星系的距离,它怎么可能会在320亿光年之外呢?其实之所以会这样,是因为我们的宇宙发生了一些奇怪的事情——宇宙膨胀。

  138亿年前,一个纯能量迸发出生命,我们称之为宇宙大爆炸——空间和时间被向四面八方推开。从那以后,我们的宇宙一直在膨胀。宇宙扩张方式使我们寻找宇宙边缘,成为了一个重大挑战。

  宇宙在不断膨胀,并根据一个非常简单的定律膨胀:星系离我们越远,它离开我们的速度也越快。我们发现的最遥远的星系,Gn-z11似乎在短短134亿年的时间里就移动了320亿光年。

  这比光速还快,而且,我们测量了很多星系,发现很多很多星系都在以比光速还快的速度远离我们。

  这听起来似乎是违背常理的。我们都知道,相对论的观点是,任何有质量的物体不可能超光速移动。光速是宇宙中所有有质量物体的极限。那么为什么遥远的星系以超过光速的速度远离我们呢?

  其实,它们之所以能够以超过光速的速度远离我们,是因为空间在膨胀。相对论适用于一切有质量的物质,而并不适用于空间。空间可以以任何它想要的速度膨胀。

  理解膨胀定律的简单方法是,想象你站在一块无限延伸的橡胶板上,一直延伸到很远的地方,但你一直站在同一个地方,你可以在上面标个“X”。

  现在,这块橡胶板向各个方向延展,如果它延展速度为2倍。假设有一个星系,在离你1米的距离,现在变成了2米。而另一个星系离你10米远,把它扩大2倍,它就离你20米远了。

  所以在相同的时间内,一个星系移动了1米,而另一个星系移动了10米。

  事实上,你与各星系都在原地没有移动,是空间的膨胀让你与星系远离。

  所以,宇宙膨胀意味着,我们的可观测宇宙向各个方向延伸了460亿光年,横跨920亿光年,而且每秒钟都在变大。

  想象你是一名跑道上的短跑运动员,如果你跑向终点线,可能会花上几秒钟的时间,但是现在想象终点线正在远离你,如果它以比你跑得更快的速度离开你,你永远也到不了终点。

  这就是我们在这里看到的宇宙,在一定距离之外,星系正在以比光速还快的速度远离我们。

  于是就有了一条叫做宇宙视界的线。我们在可观测宇宙中看到的97%的星系,都在这条线之外,这些星系我们永远也不可能到达那里,包括 Gn-z11。从某个角度来讲,这条线也是某种意义上的宇宙的边缘。

  然而,更加糟糕的是,天文学家发现目前宇宙膨胀的速度正在加速。

  天文学家怀疑有一种神秘的力量在起作用——暗能量。我们认为是暗能量将宇宙推开,是它导致宇宙加速膨胀。而暗能量的起源和真正的物理性质,至今还是一个巨大的谜。

  拜暗能量所赐,越来越多的星系穿过了宇宙视界,一旦越过宇宙视界,就意味着我们永远失去了这些星系,所以我们今天可以看到的一些星系,在几百万年后,我们就看不到了,一万亿年后,我们在天空中看到的所有星系都将完全看不见。

  【宇宙的形状】

  数万年来,我们人类一直惊叹于浩瀚的宇宙,但宇宙究竟有多广阔呢?为了回答这个问题,我们必须先回答另一个问题:“宇宙是什么形状的?”即宇宙在最大的尺度上是如何弯曲的?

  如果我们要发现宇宙确实有某种几何曲率,那么这可能意味着它在难以置信的距离内将自己包裹起来。

  于是就会一个有趣事情:如果你能沿着一个方向运动足够长的时间,你就会发现,你最终会来到起点。

  如果,宇宙是平坦的,即没有曲率,那么,你走得越远,就再也回不到起点。

  一般计算物体的形状,我们通常会退一步看一看。但很明显,离开宇宙是不可能的。你不可能跳上火箭,飞到比我们的宇宙视界大一千倍的地方去看看宇宙的形状。人不能,至少不应该。

  于是科学家想到更加聪明的办法:重子声学振荡,即宇宙微波背景中的波纹。

  这是宇宙中最古老的光,随着宇宙的膨胀,这些波纹以一种统一的方式在空间中留下印记。

  它们提供了一个宇宙尺,来测量随着时间推移的巨大距离。所以我们可以测量宇宙是在弯曲的空间,还是在平面上膨胀。通过计算,科学家们确信宇宙是平的,精确度达到百分之几。

  如果宇宙是平的,那么我们的宇宙可能没有边缘,因为平坦的宇宙可能是无限的。宇宙可能是永无止境的,恒星和星系永远没有尽头。

  但真正无限的东西怎么可能存在呢?无限是一个很奇怪的概念,意味着无论有多巨大的数字,在无限面前都是渺小的。

  如果宇宙是无限的,那么可能会有无数个星系拥有有生命的行星。由于生命确实出现在地球上,因此,它肯定会发生在宇宙的其他地方。

  在平坦的宇宙中,外星生命可能有无限多种形式。如果宇宙没有边缘,很多看起来不可能的事情就变成了可能,所以这意味着一定有另一个地方,有一个和我们一样的星系,它也会有一个和我们一样的地球。甚至会有另一个版本的你,另一个版本的我。

  如果宇宙是无限的,它在膨胀,它会膨胀到什么程度,会从什么地方开始?如果宇宙是无限的,那么大爆炸时是否也是无限的?

  这是一件非常费解的事情。在无限的宇宙中,星系永远存在,每个星系之间都有很长的距离,但很久以前,星系之间的距离更近,距离只有现在距离的一半,它们仍然永远在继续远离。

  在平面宇宙中,空间从一开始就是无限的。宇宙中从来没有一个点发生过大爆炸,它的发生无处不在,无限的宇宙提供了无限的可能性。

  【时间的力量】

  虽然,宇宙的空间没有边缘,但我们的宇宙可能存在另一种边缘,即时间的边缘。

  宇宙似乎始于138亿年前,所以人们倾向于认为宇宙在时间上是有限的。我们所说的大爆炸,就我们所知,是一个开始,即宇宙的开始。宇宙的年龄是有限的,那么,它在未来有边缘吗?

  我们曾经认为,时间总有一天会和行星、星系以及宇宙中的所有生命一样,走向灾难性的终结。

  如果我们知道有一次大爆炸,如果我们知道宇宙有开始,有膨胀和冷却,我们就会很自然地想,是否有一天膨胀会停止,逆转,然后回来,这就是大收缩。

  在大收缩中,我们膨胀的宇宙会开始收缩,恒星和行星会相互撞击,星系会发生碰撞。宇宙中剩下的所有生命都会和其他物质一起被压缩成奇点。

  如果这个理论是正确的,那么宇宙将有时间的开始和结束。如果我们生活在一个会膨胀,停止膨胀,然后回到紧缩的宇宙中,那么它实际上就有两个边界。

  但还有一种更奇怪的可能性,也许结束只是一个开始,宇宙是一个振荡的宇宙,它有一个大爆炸的开始,膨胀到最大,然后回到大收缩,如此一遍又一遍反复。

  我们可能是一个由另一个宇宙的灰烬所创造出来的宇宙居民,也可能是一串跳动的宇宙中的一个宇宙……每一个宇宙都充满了星系、行星和生命。

  但是,我们最近对宇宙的观察表明,大坍缩是不可能的,因为有暗能量的存在。

  有一段时间,我们不知道宇宙的膨胀,宇宙是否会因为引力而减速、停止,并自我逆转。宇宙中有很多星系,它们通过引力相互拉拽,如果膨胀速度不够快,引力可能会强大到足以阻止膨胀,并重新坍缩宇宙。

  但现在有了暗能量,我们知道这是不可能发生的。宇宙将永远膨胀下去,因为暗能量在不断地加速。

  如果要有一次大的收缩,我们对暗能量的理论必须有很大的改变。也就是说,暗能量必须是非常奇怪的,并且以某种非常有趣的方式关闭,宇宙才能突然停止膨胀并重新崩溃。

  既然没有大坍缩,时间就没有未来的边缘。宇宙会继续向未来无限扩张,就像空间一样,时间是永恒的。

  这听起来像是生命和宇宙的更好命运,但事实并非如此。

  暗能量导致宇宙加速的后果之一是,我们最终会走向“热寂”,或者说我们最终会走向严寒。

  宇宙会变得越来越冷,事物会变得越来越分散,因此,我们宇宙的加速、持续和永远的膨胀,可能会导致时间的一个令人沮丧的结局。

  宇宙最终基于熵的热死亡,那时,你走到外面,你将看不到天空中的星星,什么都看不到。

  总有一天,宇宙中最后一颗恒星会熄灭,就这样死寂。

  在未来,空间将是一个寒冷、黑暗和无限的虚空,在那里时间将永远流逝,除了在永恒的苍穹中受苦,什么也做不了。

  【神秘的黑洞】

  宇宙的时间在未来没有边缘,是我们不可避免的命运。既然宇宙外面没有边缘,宇宙内部会有边缘吗?

  也许黑洞也是一种宇宙的边缘,如果你想去宇宙的边缘,那么就跳进黑洞,只是这将是单程旅行,你将永远不会回来。

  2019年4月,一个国际天文学家团队发布了第一张黑洞的照片。这是一张超大质量黑洞的照片,位于5400万光年远的 m87 星系中心。它也可能是宇宙中第一张边缘的图像。

  当我们想到空间和有边缘的宇宙时,黑洞创造了一个非常有趣的场景:黑洞内外空间之间的边缘,称为视界。

  黑洞的引力非常强大,以至于连光都无法逃脱,这意味着一旦你穿过视界,任何东西都无法逃脱。

  所以这确实是一个边缘,因为一旦你穿过视界,你就与宇宙的其他部分隔绝了,你再也回不去了,你在我们的宇宙之外。

  

宇宙有边缘吗?有 也没有 宇宙 第5张


  现在还有一种观点,认为,黑洞周围的时空会出现一个镜像宇宙,一个平行宇宙。在黑洞的另一边,是和我们一样的宇宙,可以从黑洞穿越过去,所以黑洞不仅仅是我们宇宙的边缘,它们也可能是通向其他宇宙的门户。

  当然,这是一种高度推测,但如果有一个空间或区域,你可以与其他宇宙建立联系,那么黑洞,原则上,可能就是通往那个宇宙的入口。但是,几乎不可能有人想要冒险越过视界去寻找答案。

  【无解的问题】

  我们对宇宙其他边缘的探索,也几乎没有希望。我们永远无法穿越宇宙视界,我们将永远无法看到可观测宇宙的边缘以外。

  所以于是宇宙是否边缘,还是没有答案。

  也许我们不应该考虑宇宙的边缘,你生命中所见的一切都是有限的,它有内在和外在,也有边缘。

  宇宙可能不是这样的,宇宙可能完全没有边缘。我们曾经认为,未来生命的终极极限是由大自然设定的,我们无法离开这个星球,或者说,除了我们的太阳系之外,什么都没有。

  而现在我们意识到,我们有一个浩瀚无边的宇宙,而终极极限,实际上只是我们自己的想象力,和我们用想象力做伟大事情的能力。我们未来的命运掌握在我们自己的手中。

  对我们重要的,而且只会对我们重要的是可观测宇宙,因为这是我们所能看到的极限,也是我们所能知道的极限。所以宇宙是有边界的,我们能知道的东西也是有边界的。