事实上,二零一一年的一项研究测算表明,宇宙的实际规模约为可观测区域的二百五十倍,当前人类可观测的宇宙范围宽度达七万亿光年。这种对浩瀚宇宙的有限观测视角为解决宇宙平坦性问题提供了理论依据。 从理论上说,我们的宇宙几乎不可能恰好具备使时空保持平坦的精确临界物质密度。然而爆炸理论的提出使这一矛盾得以化解。在爆炸作用下,宇宙无需具备精确的临界密度即可呈现平坦特性。就人类目前的观测范围而言,宇宙确实展现出完美的平坦性。 我们目前仅能观测到更大尺度宇宙爆炸区域的极小部分,正是由于爆炸作用,我们的局部观测区域在极短时间内实现了超乎想象的膨胀,使得我们所见的宇宙空间呈现出绝对平坦的形态。这种平坦性甚至延伸至光速可及的宇宙视界边缘。 这类似于将一个微小球体以放大至地球尺寸,即便知晓整体结构存在曲率,但在其表面进行观测时,视野范围内始终呈现完美的平坦状态。因此在宇宙诞生之初引入爆炸机制,似乎能够有效驳斥任何基于单一观测视角对大爆炸理论提出的质疑。 在爆炸过程中,早期微观宇宙的大部分精细结构遭到拉伸而消灭殆尽,所有温度涨落、奇异粒子以及空间本身的几何区域特征均被抹除。当爆炸过程最终停止时,任何潜在的观察者都将发现自己被困在一个寒冷而空旷的宇宙空间中。而就在片刻之前,这个空间还看似充满物质与能量。 正如南极探险家斯科特阿蒙森的考察站南阳,即便仅依靠星光照亮,也仅能感知到周围数米范围内的环境。在南极持续六个月的极夜已过去数周,环境温度已骤降至零下五十摄氏度以下,凛冽的寒风在扭曲的建筑结构间嘶鸣。 从外部观察,这座科考站仿佛已被遗弃。然而巨型射电望远镜天线运转时发出的微弱机械声响,却昭示着生命活动的存在。在高度隔热的控制室内,与室外刺骨严寒形成鲜明对比的是宜人的温暖环境。 一直身着厚重防寒服的科研团队正坚守岗位,他们是自愿在此度过漫长极夜的数十位科研人员中的成员。南极夏季期间,这座科考站曾容纳两百名科研人员,但很少有人敢于直面这永恒黑暗的极寒考验。 在海拔近三千米的高原之上,寒冷干燥的大气环境使科研团队得以操控微波望远镜,以前所未有的精度对宇宙最深处展开观测。他们致力于在遍布宇宙的背景辐射中,探寻宇宙膨胀的原始印记。 尽管身着厚重的防寒装备,他们依然满怀期待的注视着未来五个月的永夜时光。这些科研工作者迫切希望解开宇宙膨胀理论的未解之谜。尽管该理论具备解决诸多科学问题的潜力,却尚未获得确凿的实验
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宇宙有多大? 就在今年年初,英国的天文学家发现了一个巨大的宇宙结构——大环。这是一个由很多星系和星系团组成的几乎完美的圆形星系群,它的直径大约是13亿光年,周长达40亿光年,是目前可观测宇宙内已知的最大结构之一。 但按照目前的宇宙形成论来讲,这个大环大到宇宙已经装不下它了。 现在的理论认为,在宇宙大爆炸之后,物质通过引力逐渐聚集,从较小的结构慢慢合并成较大的结构,然后逐渐形成了星系和星系团。但这个过程需要足够的时间。 宇宙形成至今大约有138亿年。理论计算表明,宇宙里能形成的最大结构应该是12亿光年。而大环的直径是13亿光年,已经超过了宇宙形成的理论极限。按理说这是不可能的,因为没有足够的时间来形成这么大的结构。 而且按照宇宙学原理,宇宙应该是均匀一致的。不管站在宇宙的哪个地方观察,看到的宇宙应该都差不多。更准确来说,宇宙均不均匀取决于观测尺度。假如把宇宙看成是海洋,站在海边看海面,波涛汹涌;但坐飞机时就会发现,从高空看海面其实非常平滑。 这个大环就像是一个平滑的表面上出现了一个显眼的疙瘩,让原本应该是均匀的宇宙变得不均匀了。 这种大型结构到底是怎么形成的?难道人类对宇宙的测量出错了?宇宙究竟有多大? 我想大家或多或少都想过这个问题,但这个问题很难想象出答案,而且想多了之后人还会产生一种虚无感。 从地心说到日心说 公元1世纪,古希腊天文学家托勒密提出地心说,认为地球是宇宙的中心,太阳、月亮、行星都绕着地球转。这个理论在当时得到了普遍认可。 直到16世纪初,波兰天文学家哥白尼提出日心说,才推翻了地心说。他认为太阳才是宇宙的中心,地球只是太阳系中的一个普通行星。但他的说法在当时不被认可,经过一个多世纪才慢慢被世人接受。 其实哥白尼是病死的。真正被烧死的是他的支持者布鲁诺。这位意大利哲学家坚持捍卫日心说,还认为太阳只是众多恒星之一,人类在宇宙中也不是唯一的。1600年,他被判火刑,在罗马被当众烧死。 测量太阳系 哥白尼的观点虽然不完全正确,但他给人类的宇宙观带来了巨大改变。人们开始思考:太阳系到底有多大? 从哥白尼之后将近一百年,太阳系大小的计算没有太大进展,直到开普勒出现。1595年,开普勒发现了太阳系各行星之间的位置关系,把地球到太阳的距离称为一个天文单位。只要知道一个天文单位是多少,就能算出整个太阳系的大小。 1677年,哈雷想到了用
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宇宙到底有没有边界? 对人类来说,银河系已经非常大了。但从整个宇宙的尺度看,银河系也只不过是一个不起眼的存在。可观测宇宙里,像银河系这样的星系可能有上万亿个。 但星系在宇宙中并不是均匀分布的。有的地方星系挤在一起,有的地方极其稀疏,就像被掏空了一样。这种星系极其稀疏的区域,叫空洞。 目前发现最大的空洞叫牧夫座空洞,也叫大虚无。它距离地球约7亿光年,直径约3.3亿光年。如果把银河系放进去,2亿光年范围内任意方向上看不到第二个星系。 牧夫座空洞里其实也不是完全没有星系。按照宇宙平均密度估算,里面应该有4000到10000个星系,但目前被确认的只有60个。空旷程度可想而知。 宇宙中为什么会有这么大的空洞?主流观点认为这是宇宙自然演化的结果。大爆炸之后宇宙并不完美均匀,有的地方浓,有的地方稀。物质越多的地方引力越强,就能拉来更多物质,变得越来越密;物质越少的地方反而越来越空。密的更密,稀的更稀,这是引力作用下的自然结果。 宇宙微波背景辐射 根据宇宙大爆炸理论,大约138亿年前宇宙由一个极端高温致密的点爆炸后膨胀形成。大爆炸约38万年后,光子才得以在宇宙中自由传播,这些光叫宇宙中最古老的光。受光速限制,它们现在依然在宇宙中传播。在宇宙膨胀影响下,它们的波长被拉长,从可见光变成今天的微波——这就是宇宙微波背景辐射。 观测数据显示,宇宙微波背景辐射整体温度非常均匀,约2.7开尔文,也就是零下270℃。但如果放大到非常小的尺度,能看到温度的细微波动。一般波动范围只有18微开尔文,但有一个区域平均温度比周围低了70微开尔文,最高能达到140微开尔文。这片区域叫宇宙冷斑。 宇宙冷斑的温度、范围、规模都远远超出标准宇宙模型的理论值。怎么解释?目前科学家也没有明确答案。 有一种可能解释是,宇宙冷斑其实是一个比牧夫座空洞还要大的超级空洞,直径约18亿光年,距离银河系30亿光年。如果真是这样,这个空洞就是迄今人类探测到的最大空洞。 但也有人提出更大胆的猜测:宇宙冷斑其实是我们的宇宙和另外一个宇宙相撞后留下的痕迹。 弦理论和多重宇宙 这就要说到弦理论了。传统物理学认为构成宇宙的最小单位是粒子,比如夸克、电子。但弦理论认为粒子其实不是点,而是像弹簧一样会震动的小线圈,叫弦。宇宙万物都由弦构成,通过不同震动产生各种基本粒子。 弦理论的数学公式在普通的三维空间加一维时间中不
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