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66666天前
果宇宙没有边缘,它还能是有限的吗?日常里有限总让人想到某种界限,操场馅饼手机电量。可在宇宙里,有限与无限的概念要微妙得多,而无限也不必意味着永远越界。宇宙可能以一种难以想象的方式,体积有限,却没有可抵达的尽头。我们对大爆炸发生地点的理解,关键是区分大小与边界。一个对象可以是有限且无边的,地球表面就是绝佳例子,面积有限,但你直线行走不会掉下去,因为它会自恰的回绕地球的2D表面,嵌在3D空间里。想象宇宙是它的3D版本,但不嵌在更大空间中。数学与物理中,这类无边但有限的结构称为闭合流形。最简单的例子之一是三维环冕,朝任意方向走直线,最终会回到起点,没有墙这像老式游戏,左边进屏,右边出屏。我们的宇宙就是这样吗?有可能但尚无定论。Planck需寻找CMB中可能的重复拼接,某些图案会神秘对齐,目前没有确证。这意味着即便宇宙是闭合的,也大于我们的可见宇宙,从我们的视角几乎与无限难以区分。可观测宇宙不等于全部宇宙,它只是光来得及抵达的那一球壳,约向各个方向460亿光年。宇宙或继续平直,或弯曲或有限,或无限我们尚未知。若宇宙是有限而闭合的,他不是在空屋里爆开,而是在一个自洽的小空间里整体伸展,并无中央点,只有一个随时间增长的尺度因子。曲率上有限,但平直也能有限,如3-torus几何,平直拓扑卷绕形成有限。不只有几何,这对模型有深远影响。若空间有限并回绕,光子粒子甚至引力波,可能多次环形,在天图上留下重复印记或相关对齐,目前尚无铁证。哲学与科学上,有限宇宙对物质能量总量,乃至文明可能的最大数目,都会加上上限。即使宇宙有限,也永远到不了尽头,这改变了我们在宇宙中的位置感。无边即无心,大爆炸在这整个小宇宙中处处发生。 可观测宇宙并非全部宇宙,它只是真相的一小部分。可观测宇宙是我们今天能看到的一切,恒星星系星云类星体,向各项延伸约460亿光年。这只意味着我们视线的几何中心,不代表宇宙的中心。我们为何有天花板,因为宇宙年龄约138亿年,而且自发光以来,那些光源现在距离我们远大于138亿光年,世界落在约460亿光年。但每个观察者都有自己的可观测球泡,若你在10亿光年外的星系,它的可观测宇宙以它为中心,包含我们看不到的区域。所有观察者都有自己的可观测宇宙,像更大泡沫里的重叠小泡,这正契合宇宙学原理。可观测宇宙不是存在的边界,地平线之外,可能繁盛着星系暗物质与奇异现象,他们的光来不及抵达我们。更糟的
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66662周前
果宇宙像这样回环,那么它就是科学家所谓有限但无界,这意味着它不是无限的,大小有限但仍然没有边,空间没有终止的边界而是弯曲并回到自身。这个想法基于爱因斯坦的广义相对论,空间可以弯曲与扭曲。 如果宇宙拥有足够的物质与能量,它的整体形状可能会像球面那样向内弯曲,不容易看见这种弯曲,因为空间太广阔,但在极长距离上可能产生巨大影响。这两种可能无限宇宙或弯曲回环的宇宙都与科学家观测到的现象相容。 问题在于只能观测到有限的范围,光有其有限速度,而宇宙存在的时间只有大约138亿年,这意味着只能看到光来得及抵达区域,这一片区域被称为可观测宇宙。这好比生活在一个气泡里,不知道气泡的边界之外是什么,但这个边界并不是宇宙的尽头,它只是能看见的极限,因此无法确定宇宙是无限还是会回环自身,两种可能都仍然开放。 所知道的是似乎不存在一个万物戛然而止的地方,只要望远镜能看到的方向与深度,星系就在各个方向继续延伸,而且看得越远越看到星系在远离我们。因为宇宙本身在膨胀,这种膨胀是边缘概念不太适用的另一个原因,扩张的是空间本身。 星系并不是像火箭那样在空间中飞离,而是随着空间肢体的拉伸被带开,想象一个逐渐充气的气球表面上的点,这些点彼此之间渐行渐远,不是因为它们主动移动,而是因为气球表面在变大。如果宇宙像这只气球,那么边缘的概念就更难想象气球表面的边在哪里,并没有可以沿着表面永远行走而不会从边缘掉下去。 有些人会问如果宇宙没有尽头,那它外面是什么?但这个问题也并不恰当,宇宙并不是坐落在别的什么之中,它不是漂浮在某个更大空间里的泡泡,它就是全部的空间。如果它是无限的,它已经包含了一切,如果它回环,它仍旧是自洽封闭的整体,没有可去的外面,甚至方向。这个概念在谈论整个宇宙时都会变得棘手。 在地球上,我们能指向东南西北,但这些方向依赖于行星的形状。在宇宙尺度上,这些标签会失去意义,不存在。一个普世的上或下一切都取决于你的参考系,或者朝哪个方向去才能找到边缘,并不是一个简单问题。 这一切也许听起来让人困惑,但这正是科学最令人兴奋的部分。我们正试图理解一个远超我们经验尺度的事物,看得越深,我们越会意识到,日常观念在宇宙尺度上并不适用。空间不是房间或盒子,它会拉伸,会弯曲,可能无穷无尽,也可能以一种我们尚未发现的方式向内折叠,我们并不确定。
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