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可观测宇宙,直面绝望 人类被光速永远限制在一个极限球体空间里,这就是直径930亿光年的可观测宇宙。基于宇宙大爆炸模型和138亿年的宇宙年龄,通过测量宇宙微波背景辐射的曲率,我们确定了可观测宇宙的半径:465亿光年。这意味着,从地球出发,我们所能接收到的所有电磁信息的边界,构成了一个直径930亿光年的球体。人类的星际探索先锋旅行者一号,以每秒17公里的速度飞行了47年,距离仅为22光时。而要飞出太阳系的引力边界奥尔特云,它需要3万年。太阳系,这直径约2光年的家园,在直径10万光年、包含数千亿恒星的银河系中,不过是一粒看不见的尘埃。而银河系,隶属于本星系群,后者又归于室女座超星系团,并最终锚定在直径达5.2亿光年、包含约10万个星系的“拉尼亚凯亚”超星系团之上。这片巨大的宇宙纤维状结构,在可观测宇宙的宏观网络中,也仅仅是一个节点。据科学家预估,有超过2万亿个星系分布在这浩瀚的可观测宇宙的每个角落,人类和地球连尘埃都算不上。而更绝望的是,我们可能永远无法窥其全貌,注定被困于光速设定的囚笼,而可观测宇宙以外,我们更是一无所知。但人类从未停止探索这片未知的漆黑深空,正是这份勇气,为我们这尘埃般的存在,赋予了足以直面整个宇宙深渊的、恒星般的尊严。#探索宇宙 #顶级视觉盛宴 #可观测宇宙
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66662周前
而进入二十世纪,随着科学观测技术的飞速发展和理论物理学的深入,宇宙的面貌再次发生了翻天覆地的变化。 二十世纪二十年代美国天文学家埃德温·哈勃通过对河外星系的观测发现了一个惊人的事实:遥远星系的光谱线普遍向红端移动,这意味着它们正在远离我们,而且距离越远的星系退行速度越快。这一发现被称为哈勃定律,它无可辩驳地揭示了宇宙正在膨胀的客观事实,彻底颠覆了牛顿时代静态宇宙的传统观念。 宇宙不再是固定不变的,而是一个不断膨胀的动态实体,就像一个不断吹大的气球,其表面的点也在相互远离。 与此同时爱因斯坦在一九一五年提出了广义相对论,这一划时代的理论将引力描述为时空的弯曲而非牛顿所说的力。广义相对论认为质量和能量会使周围的时空弯曲,而物体则沿着弯曲的时空中的测地线运动,我们感受到的引力正是这种时空弯曲的表现。 这一理论不仅能够解释牛顿引力无法解释的水星近日点进动等现象,更重要的是它为描述整个宇宙的动力学演化提供了一个全新的、更深刻的物理框架。 在哈勃的观测和爱因斯坦理论的共同推动下,大爆炸理论应运而生。这一理论认为宇宙起源于一个极热、极密的初始状态,并在随后不断膨胀和冷却,逐渐形成了我们今天所看到的一切星系、恒星和行星。 1964年,美国两位工程师意外发现了宇宙微波背景辐射,这一均匀分布在宇宙各个方向的微弱辐射被认为是大爆炸留下来的余晖,为大爆炸理论提供了强有力的证据,使其成为了当前宇宙学的主流模型,也是理解宇宙起源和演化最成功的理论。 从地心说的朴素认知到日心说的革命性突破,再到牛顿力学的精确描绘,以及最终广义相对论和大爆炸理论的宏大叙事,人类对宇宙运动的理解一步步走向深入,也越来越接近宇宙的真实面貌。 宇宙大爆炸理论的成功无疑是20世纪科学的伟大成就之一,它为宇宙的起源和演化提供了一个宏大而自洽的框架,解释了宇宙的膨胀、宇宙微波背景辐射的均匀性以及氢元素的丰度等一系列重要观测现象。 然而,即便这样一个成功的理论也并非完美无缺,它依然面临着一些深层次的挑战和未解之谜,这些谜团促使科学家们不断思考宇宙的运动,除了膨胀是否还存在其他更复杂的模式。 首先,大爆炸理论在标准模型下遇到了几个著名的难题。 • 其中之一是平坦性问题。观测到的宇宙空间似乎异常平坦,与临界密度非常接近。这种精密的平坦性如果不是宇宙诞生之初就被巧妙的设定好,那么在宇宙早期任何微小的偏离都会在膨胀过程中被极大的放大
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66661周前
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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