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66664周前
正是这种不确定,促使天文学家与物理学家不断发问,持续探索。当我们把望远镜对准太空时,我们不只是看见遥远的地方,也是在回望过去。光以每秒将近30万公里的速度传播。当我们看到一个10亿光年之外的星际时,我们看到的是他在10亿年前发出的光,看到的是当年的他,不是今天的他。 某种意义上,向外眺望,就像再读一本用光写成的历史书。因此我们能看见的宇宙有一个极限,这个距离构成了科学家所说的粒子视界。它像包围我们的一个巨大无形外壳,标记着可观测宇宙的最外边界。但这个壳并不是138亿光年远,它要远得多。 因为空间一直在膨胀,意味着当遥远天体的光朝我们而来时,我们与他们之间的空间也在增长。所以当那束光抵达我们时,发光的星系早已比他发光时远得多。由于这种空间的拉伸,粒子视界在每个方向上约为460亿光年,这让我们得到一个直径大约930亿光年的可见球体。 这个球体之内是我们的可观测宇宙,球体之外或许仍属于真实宇宙,但我们看不见,也许永远都看不见。粒子视界不是存在的极限,它只是可见的极限。在这道边界之内,我们可以研究星系、恒星与气体云,我们可以绘制空间结构,看到物质如何分布。 我们可以回望宇宙早期,甚至瞥见最古老的那束光——宇宙微波背景辐射。这道微弱的辉光来自大爆炸后大约38万年,当时宇宙冷却到足以形成原子,光子得以首次自由传播。那道光自此一路传播,直到今天仍能用专门仪器探测到它。 但在粒子视界之外一切都变得不可见,那里可能有类似的星系、恒星与行星,也可能有完全不同的结构,甚至生命。可只要它们在视界之外就无从得知。更进一步,这个视界还在变化。随着时间推移,来自更遥远区域的光会陆续抵达,可观测宇宙随之增长。 今天看不见的某个星系也许未来会变得可见,但有一个转折,宇宙不仅在膨胀,而且在加速膨胀。这意味着遥远星系被拉开的速度越来越快。事实上其中许多星系如今正以超过光速的退行速度远离我们。注意这是空间膨胀所致,并不违背相对论。
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66665天前
由于光速有限,这些来自遥远星系的光线实际是向我们展示宇宙早期的样貌,就像一扇扇通往过去的窗户。这些远古光线携带着宇宙更小、更热时期的印记。基于理论预测与观测数据的高度吻合,大爆炸理论已成为解释宇宙起源的主流学说。 但这一理论仍存在显著问题,现代宇宙诸多特征与简单的大爆炸模型并不完全吻合,特别是理论中描述的无限小、无限密、无限热的初始状态与已知的物理定律存在根本性矛盾。如果宇宙始终以恒定速度膨胀,许多观测特征将难以解释,这直接动摇了大爆炸理论的基础。 • 首先是视界问题。假设存在一个外星观测者,在数百亿光年外观测宇宙,会发现与我们看到的几乎完全相同的景象。特别是宇宙背景辐射的温度各处都维持在绝对零度以上几度,差异不超过十万分之一。在标准大爆炸模型中,这种极端均匀性几乎不可能实现。 就像冷藏室若只有一个热源,需要足够时间才能使温度均匀分布。宇宙要达到如此精确的热平衡,所有区域必须有过充分的热接触。但根据现有膨胀速率计算,自大爆炸以来,光速传播的距离根本不足以让宇宙两端产生热交换,它们始终处于彼此的视界之外。 但不断膨胀的时空不允许在如此大的尺度上实现均质化,能量只能以光速交换。自宇宙诞生以来,还没有足够的时间达到平衡。宇宙的两端无法交换能量,因为它们超出了彼此的可见视界,它们并不像科学家所说的那样存在因果联系。 沿着宇宙膨胀的倒退方向,我们发现在背景辐射被吸入宇宙时,夜空中仅相距一度的部分是彼此无法触及的。那么宇宙是如何变得如此均质的?这样的观察似乎要宇宙的开端从一开始就具有显著的均质性,但物理定律和统计学表明这种微调几乎不可能实现。 • 第二个令人费解的现象似乎也需要这种不太可能的微调,被称为平坦性问题。它与时空的无形区域有关。爱因斯坦在广义相对论中定义的空间结构被大质量物体扭曲,但如果质量集中是弯曲时空的原因,那么宇宙中的所有质量也必须弯曲时空。 这取决于整个宇宙的密度,曲率的形状和宇宙的长期演化会发生很大变化。 如果它很高,那么宇宙质量会创造一个球形时空,宇宙中所有物质之间的引力最终会减慢膨胀。 如果宇宙密度低,空间就会向下膨胀并逆转,其形状将成开放的双曲线,物质之间的引力不足以阻止它永远膨胀。 在这两种选择之间,还有第三种可能性,即平坦的时空,其密度恰到好处,膨胀只有在无限时间后才会减慢到停止。 这种精确平衡的平坦宇宙状态就像刀上的平衡,理论上极不稳定,因为
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