如果我们造出一艘能跑到光速的飞船,一直朝一个方向冲,到底能不能撞上宇宙的“墙”?
天文学家的答案很扫兴:你可以一直飞,但永远飞不到宇宙的边缘,甚至连今天这宇宙“有多大”,我们都说不出精确数字。
这不是宇宙在玩文字游戏,而是空间和时间本身的规则,根本跟日常直觉不一样。
光速再快,也输给“在膨胀的空间”
在现代宇宙学里,不是星系在普通空间里飞来飞去,而是“空间本身”在被拉长。
1929年,美国天文学家哈勃用24寸望远镜,盯着一些远方星系,测它们光谱里的“红移”——波长被拉长,就像救护车开远了,声音变低一样。
他发现:离我们越远的星系,光谱红移越厉害,退行速度越大。用数据说,就是著名的哈勃定律:
速度≈ 70公里/秒/百万秒差距×距离
“每远1兆秒差距(约326万光年),退行速度就多70公里/秒”。
换个直白点的比喻:你躺在面包里当“葡萄干”,烤箱一开,面包整体在涨,每两颗葡萄干之间的距离都在变大,不是葡萄干自己在里面狂奔。
这时候,“以光速出发去宇宙边缘”这个想法,遇到两条硬规则:
第一条:在爱因斯坦的相对论里,任何有质量的东西,在空间中运动的速度都不能超过光速。
第二条:相对论没说“空间自己不能膨胀到相当于超过光速”。
结果就是一个看上去很魔幻、但观测已经支持的事实:超过大约140亿光年以外的很多星系,随着空间的膨胀,远离我们的“退行速度”已经大于光速。
注意,这不是它们“违反物理定律在超光速飞”,而是中间那块空间在变长,你和它之间的“距离”每秒钟涨得比光跑得还快。
对你那艘“光速飞船”来说,意味着什么?
你拼命朝前飞,速度极限是光速;但你和目标星系之间的空间,在不断增加,多到你飞过去的速度赶不上空间被拉长的速度。
就像你在一条自动往后移动的传送带上拼命往前跑,而传送带跑得比任何人都快,你永远追不到前面的那堵墙——甚至连它原来在哪儿,你都说不清。
哪怕我们给你一个看似更疯狂的设定:“飞船100年内一直以接近光速飞行”。
100年光速飞行,对你来说飞了100光年;可在这100年里,宇宙整体又膨胀了一轮,你与极远处星系的距离,不是“100光年减去一点”,而可能变成“比原来还远很多”。
你能不能追上宇宙的边缘?在这个规则下,你连“追上现在看得见的边界”都办不到。
宇宙有“可观测边界”,但外面那圈我们看不到
那天文学家说的“边缘”,到底指什么?
我们能看到的宇宙,并不等于宇宙本身有多大,而只等于“光有多少时间跑到我们这里”。
按照目前最主流的宇宙学模型,宇宙年龄大约是138亿年。
直觉一想:那最远能看到的东西,距离我们顶多138亿光年吧?
偏偏真相又跟直觉反着来。
因为在这138亿年里,空间一直在膨胀,光在往这边跑的同时,它和我们之间的空间,也在被不断拉长。
结果就是:今天我们看到的最远的那些信号(来自宇宙大爆炸后约38万年的“宇宙微波背景”),它们发出光的时候,离我们可能只有几千万光年;但光一路跑过来,宇宙在这期间不断膨胀,现在那些区域离我们已经有大约460亿光年远。
于是就有了一个既精确又让人头大的数字:在现有模型下,今天“可观测宇宙”的半径,大约是460亿光年,直径大约920亿光年。
这个球壳,就是我们用任何望远镜都“看不出去”的边界,叫“可观测宇宙的视界”。
注意两个关键前提:
第一,这个460亿光年不是宇宙的“全部”,而只是“光来得及到达我们的那一圈”。
就像站在一片大雾的平原里,你最多能看清周围几十米的草地;你不会说“这个平原直径只有50米”,你只会说“我能看清的范围是50米”。
第二,宇宙在我们“看不见”的那一圈,很可能还在延伸,甚至无限延伸。
是否有限,数学模型有不同方案,但有一点几乎可以肯定:可观测视界之外,还“有东西”,只是这些地方发出的光,直到今天还没来得及跑到我们眼前,将来也永远跑不过来。
所以问题就变成:你坐上光速飞船,最多只能在“可观测球壳”里到处转悠,边飞边看;你根本没法保证到达这一球壳的边缘,更别说去验证“外面还有没有下一层墙”。
对我们来说,宇宙的“边缘”更像是一个实时后退的雾墙:你走一步,它退一步;你跑得再快,它也不会被你撞破,只会让你始终在雾里。
真要有“宇宙边界”,几乎也是飞船够不到的那一种
那有没有一种可能:宇宙真的像一个“球壳”或者“气泡”,外面真有个“物理边缘”?
比如空间到那儿就突然结束了,再往前就是“虚无”。
从理论上说,物理学家并没有完全排除这种形态,但就算真是这样,对你那艘光速飞船来说,依然没什么区别——你依然到不了。
原因有三层:
第一层:相对论下的“宇宙视界”,就是飞船的封闭牢笼。
不管宇宙空间整体是不是有限,只要膨胀速度在足够远处“等效超过光速”,就会形成一个“事件视界”:视界外的任何事件,信号永远传不到你这里;你也永远飞不过去——因为飞船无法超过光速去“追上”那一圈正在加速远离你的空间。
这有点像黑洞的视界,不是说黑洞外面什么都没了,而是“外面的信息过不来,你也过不去”。
第二层:膨胀本身在加速,使得“可到达范围”会越来越小。
1998年,天文学家通过观测遥远的Ia型超新星(典型例子是1998年被用来测暗能量的那批超新星),发现一个惊人的结果:宇宙膨胀不是在减速,而是在加速。
这背后捣乱的,是所谓的“暗能量”,占宇宙总能量密度的约68%。在这个模型下,宇宙的远区会越来越快地远离我们,今天还勉强属于“将来可以到达”的区域,未来也会一个个被“锁死”在视界之外。
简单粗暴一点说:你越晚出发,能去的地方越少;你现在出发,很多地方已经“天生去不了”;而那个真正的“宇宙物理边界”,如果存在,几乎肯定被锁在无穷远、或者我们视界之外的某个地方,对你而言没有任何可达性。
第三层:就算宇宙是有限的,你也可能“绕圈”,而不是“撞墙”。
在广义相对论里,空间可以是弯的。一种设想是:宇宙像一个三维球面,我们生活在球面的二维切片上。
如果是这样,你沿着一个方向一直走,理论上有可能“绕一圈回到原点”,而不是撞上边缘。这有点像在地球上航行,你一直往“东”走,最后会回到出发地,但你从来没遇到所谓“地球的墙”。
目前观测(比如普朗克卫星对宇宙微波背景的精细测量)暗示:在我们能看见的尺度上,宇宙的空间非常接近“平坦”,如果有整体弯曲,半径也大得离谱——远远超出我们可观测的460亿光年。
换句话说,就算它某处真的“弯回去了”,对飞船来说也完全没有现实意义,你这辈子、甚至整个宇宙寿命内,都绕不完这一圈。
真正的“边界”,可能是时间,而不是空间
看到这里,你可能会有点沮丧,原来我们连“宇宙有多大”都测不准,“边缘在哪”更像一场永远无法实测的哲学题?
天文学家的脑回路有点不一样。
他们更关心的是:在我们能看见、能测量的那一小块宇宙里,规则是不是一致、算不算得上“好用”。
现在的答案是:从几亿光年到几百亿光年的尺度上,宇宙的膨胀、结构的形成、星系的演化,都在很大程度上服从同一套方程,爱因斯坦场方程配合冷暗物质和暗能量模型。
我们可以用这些方程,把从“宇宙出生”到“今天”的整体历史,算到误差百分之几的程度。
所以,对人类来说,更现实的边界可能不是“宇宙有多大”,而是:在有限的时间里,我们能把“看得见的这点儿宇宙”理解到什么程度。
空间可以无限往外拖,时间却每天只给你24小时,这才是你我真正要面对的宇宙边缘。
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