現(xiàn)代宇宙學(xué)始于上世紀(jì)初
在科學(xué)家的不斷深入研究下,有關(guān)宇宙的謎題漸漸清晰,但包括愛因斯坦在內(nèi)的一眾物理學(xué)家在一開始都認(rèn)為宇宙是靜止且永恒的,時間和空間都沒有盡頭。
直到1929年,美國天文學(xué)家埃德溫哈勃發(fā)現(xiàn)所有星系都在互相遠(yuǎn)離,它們并非是靜止不動的。結(jié)合觀測事實和相關(guān)研究,人們這才認(rèn)識到宇宙不是永恒的,同地球上的萬物一樣,宇宙也有始有終。
但宇宙是否存在邊界呢?
要探索宇宙的邊界,就要從能夠觀測到的宇宙談起,由于光在宇宙中充當(dāng)著信使的角色,且光的速度是恒定的,所以通過光到達(dá)地球的時間就可以推算出地球與天體之間的距離,比如地月距離測定就是靠激光來完成的。
對于那些系外恒星和星系們,天文學(xué)界采用的是光譜測距,因為恒星表面光的顏色不是一成不變的,而是會隨著時間的推移改變顏色。
天文學(xué)家可以基于它們的顏色,推算出恒星從誕生起共發(fā)出了多少能量,通過比較恒星的真實亮度和從地球看過去的亮度差異,推算出它們到地球的大概距離。
然而對宇宙來說,光速還是太慢了
每秒30萬公里的光速,根本不足以將信息傳遞到可觀測宇宙的每個角落,因此人類永遠(yuǎn)也無法看到宇宙的全貌,此外由于宇宙時空的超光速膨脹,145億光年外的星系退行速度就正式超過光速了,所以超過這個距離的星系就等同于和人類失聯(lián)。
宇宙誕生138.2億年后的今天,能被人類文明到達(dá)并聯(lián)系上的星系,只占了可觀測宇宙內(nèi)星系總量的3%,未來隨著宇宙空間的加速膨脹,這一占比還會繼續(xù)下降。
直徑930億光年的可觀測宇宙,只是目前我們能看到的宇宙而已,并不是真實宇宙的邊緣,在我們看不見的黑暗之處宇宙仍在擴(kuò)張,而且擴(kuò)張的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光速,所以說宇宙并不存在邊界,至少不存在觀測意義上的邊界。
從可觀測宇宙向下逐級放大,我們會看到這樣一副景象:
在百億到十億光年的尺度上,超星系團(tuán)會成為宇宙長城的節(jié)點,綿延幾十億上百億光年的宇宙長城組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),被占比近七成的暗能量分割。
將視野縮小十倍,距離拉到了1億光年,中心密集的星系開始變得清晰起來,銀河系正位于拉尼亞凱亞超星系團(tuán)內(nèi)的室女座超星系團(tuán)中。
1000萬光年尺度下,本星系團(tuán)和本星系群開始顯現(xiàn)出來,直徑18萬光年的銀河系基本輪廓也能隱約辨認(rèn)出來。
百萬光年到十萬光年尺度上,銀河系將成為視野主體,我們的太陽系就位于其中的獵戶座旋臂上,10光年到1光年尺度上,太陽將和周圍恒星一起置身于本地泡中,這個尺度再往下就是渺小如塵埃般的地球了。
根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論
我們宇宙的最終形狀很可能跟地球類似,屬于一個有界無邊的球體,具體來說是一個閉合的四維超球體,因此就像輪船無法離開地球,只能不斷回到原點一樣,未來人類駕駛飛船一直朝一個方向飛,最后大概率也會回到起點,因為不論是人類還是飛船都是三維物體。
就像離開地球必須用火箭在另一個方向發(fā)力一樣,未來人類想跳出目前的三維宇宙親眼看見宇宙的全貌或者說邊界,也得先進(jìn)入四維空間才行。
然而針對四維,人類目前還一無所知
愛因斯坦晚年研究的大統(tǒng)一理論如果成功,如果真把四大基本力融合到一個框架內(nèi),找到了宇宙的內(nèi)在相似性,那么也許人類真的能突破維度桎梏進(jìn)入高維空間,進(jìn)而看到宇宙真實的邊界形狀。
可惜愛因斯坦直到去世也未能完成他的理論,更可惜的是,直到今天物理學(xué)界也始終沒再出現(xiàn)類似愛因斯坦這樣的物理學(xué)家。