科普:在宇宙中一直沿直线旅行会发生什么

2022/2/10 10:42:14 来源:新浪科技 作者:任天 责编:远洋

宇宙是有限的还是无限的?它是一直向前发展,还是循环往复?如果你坚定不移地朝一个方向旅行下去,会发生什么?

这张图描绘了一个假想的环形宇宙,或宇宙的“甜甜圈理论”。事实上,这样的宇宙并不能以这种方式呈现出来,因为甜甜圈有二维的表面,而且环形宇宙不仅在空间中是弯曲的,在时空中也是弯曲的。不过,把宇宙想象成某种“宇宙甜甜圈”会更简单,也更有趣。

▲ 这张图描绘了一个假想的环形宇宙,或宇宙的“甜甜圈理论”。事实上,这样的宇宙并不能以这种方式呈现出来,因为甜甜圈有二维的表面,而且环形宇宙不仅在空间中是弯曲的,在时空中也是弯曲的。不过,把宇宙想象成某种“宇宙甜甜圈”会更简单,也更有趣。

宇宙是一个巨大、奇妙而又古怪的所在。从人类的视角,各个方向上的宇宙范围大约为 460 亿光年。无论望向哪里,我们看到的都是一个充满恒星和星系的宇宙,但这些天体都是独一无二的吗?有没有可能,你在一个方向上看到的一个星系,当你从不同的视角,或者从相反的方向看,也会看到同样的星系?宇宙真的会循环往复吗?如果你沿着直线旅行得足够远,最终会回到起点吗,就像你在地球表面朝任何一个方向走了足够长的时间一样?或者,会不会有什么东西阻止你回到原点?

图中所示的星系都位于本星系群之外,因此它们都不受银河系的引力约束。结果,随着宇宙的膨胀,它们发出的光会向波长更长、更红的方向移动。这些物体不断远离我们,随着膨胀的持续,它们会越来越远。

▲ 图中所示的星系都位于本星系群之外,因此它们都不受银河系的引力约束。结果,随着宇宙的膨胀,它们发出的光会向波长更长、更红的方向移动。这些物体不断远离我们,随着膨胀的持续,它们会越来越远。

这是一个值得思考的有趣问题。对大多数人来说,空间和时间的一些特性是难以想象的。在宇宙中,如果一直沿直线旅行的话,似乎可以永远走下去。有什么东西会阻止你?一堵墙?如果是的话,那墙的另一边是什么?

或许听起来很荒谬,但答案是:两种情况皆有可能。你既可以永远旅行下去,但也会有东西阻止你。关键在于如何理解不断膨胀的宇宙,这本身就是最令人难以想象的概念之一。

当我们仰望宇宙的时候,看到的物体并不是它们如今存在的样子。从我们的角度来看,宇宙大爆炸已经发生了 138 亿年,而我们所看到的一切都比宇宙本身年轻。

我们的宇宙可能有点像一个关于小行星的宇宙三维游戏,你可以从宇宙的这边离开,然后在另一边重新出现。如果宇宙膨胀得足够慢,或者我们的速度足够快,时间足够长,那我们最终会回到起点,没有什么能阻止我们到达设定的目的地。

▲ 我们的宇宙可能有点像一个关于小行星的宇宙三维游戏,你可以从宇宙的这边离开,然后在另一边重新出现。如果宇宙膨胀得足够慢,或者我们的速度足够快,时间足够长,那我们最终会回到起点,没有什么能阻止我们到达设定的目的地。

为什么会这样?

大爆炸同时发生在所有地方,如果我们位于宇宙的其他地方,也会经历同样的 138 亿年时间。但如果我们从那个位置观察地球,就必须考虑到我们所看到的地球并不是它今天真正的模样。相反,我们看到的是地球当时的样子;当时到达的光从地球发射出来,再被我们接收到。我们看到的是地球的过去。

如果我们在月球上,这些反射光大约就是 1.3 秒前发出的。如果我们在一颗围绕半人马座 α 星运行的行星上,那这些光的存在就已经有 4.3 年了。如果我们在仙女座星系,则这些光应该已经行进了 250 万年。

当我们从自己的角度观察一个遥远的物体时,同样的原理也在起作用:我们看到的是这些物体在光线到达时的样子。只不过,如果我们将目光越过本星系群的卫星、行星、恒星和星系,向更远的宇宙望去,就会有另一个因素在起作用:光所穿过的空间正在扩大。

20 世纪,物理学家发现宇宙正在膨胀,这是人类对宇宙认识的最大变革之一。一个距离我们越远的遥远星系 —— 假设它不受银河系引力的约束 —— 它发出的光的红移量就越大,或者说,它的光会被拉伸至更长的波长。

即使是在一个不断膨胀的宇宙中,只要有足够的时间,遥远天体发出的光终究会被我们看到。不仅光子的波长会因为宇宙的膨胀而被拉长,物质粒子的德布罗意波长也会被拉长。光在宇宙中穿行的时间越长,它的波长因宇宙膨胀而被拉长的程度就越大。

▲ 即使是在一个不断膨胀的宇宙中,只要有足够的时间,遥远天体发出的光终究会被我们看到。不仅光子的波长会因为宇宙的膨胀而被拉长,物质粒子的德布罗意波长也会被拉长。光在宇宙中穿行的时间越长,它的波长因宇宙膨胀而被拉长的程度就越大。

在宇宙中,有三种情况通常会导致红移:

(1)当光源与观察者相对远离彼此时;

(2)当射出的光需要爬出一个巨大的重力势阱时;

(3)当两个物体之间的空间在光的旅程中膨胀时。

尽管前两种效应在短距离内可能很显著,但在最大的宇宙尺度上,只有空间的膨胀才具有重要的意义。

三角形的内角和取决于空间曲率的大小。在正曲率(上)、负曲率(中)或平坦(下)的宇宙中,三角形内角之和分别为>180°、<180°或等于180°。尽管很容易描绘一个正曲率的曲面(上)是如何有限并循环的,但非正曲率的曲面也可以是有限的。

▲ 三角形的内角和取决于空间曲率的大小。在正曲率(上)、负曲率(中)或平坦(下)的宇宙中,三角形内角之和分别为>180°、<180° 或等于 180°。尽管很容易描绘一个正曲率的曲面(上)是如何有限并循环的,但非正曲率的曲面也可以是有限的。

宇宙正在膨胀的事实很重要,原因有很多,尤其是从宇宙的视角来看。这一事实让我们可以推断出宇宙历史,以及我们如何从一个更热、更密集、更均匀、更迅速膨胀的状态中诞生的过程。如果我们能测量膨胀速率随时间的变化,或许就能推断出构成宇宙的各种能量类型及其比例。

而且,如果我们能知道宇宙是如何膨胀的,以及宇宙所包含的一切,我们就能预测它在遥远未来会如何膨胀,以及宇宙最终的命运会是什么。

圆环几何结构是空间平面的一个例子,它既没有正曲率也没有负曲率,但在范围上是有限的。如果你所处的空间本质上是环面,那么一直沿直线走的话,你最终就可以回到起点。

▲ 圆环几何结构是空间平面的一个例子,它既没有正曲率也没有负曲率,但在范围上是有限的。如果你所处的空间本质上是环面,那么一直沿直线走的话,你最终就可以回到起点。

那么,这些与之前提到的问题有什么关系?如果你永远沿着直线穿越宇宙,会发生什么?

首先,我们先来考虑另一种可能性:如果你永远沿着直线旅行,穿过一个不会膨胀,静态不变的宇宙,情况会有什么不同?

在静态不变的宇宙中,一切都取决于我们已知的、可以用数学描述的宇宙拓扑结构。爱因斯坦的广义相对论带来的重大变革之一,就是让人们认识到,空间本身并不能简单地用直线构成的的三维网格来描述,因为这种描述是刚性、绝对的。相反,空间本身必然会因物质和能量的存在(或不存在)而弯曲。当存在一个巨大且过度密集的物质和 / 或能量集合时,就会导致更大的(正的)空间曲率;而当物质和能量低于平均水平甚至是负的时,就会导致负曲率。

最全面的宇宙微波背景图。宇宙微波背景辐射是宇宙中可观测到的最古老的光。这张图向我们展示了大爆炸发生38万年后宇宙快照,其中没有重复的结构,也没有可以相互识别的区域。这一事实限制了任何重复结构的大小,也限制了宇宙的有限属性,使之大于现代宇宙视界的大小。

▲ 最全面的宇宙微波背景图。宇宙微波背景辐射是宇宙中可观测到的最古老的光。这张图向我们展示了大爆炸发生 38 万年后宇宙快照,其中没有重复的结构,也没有可以相互识别的区域。这一事实限制了任何重复结构的大小,也限制了宇宙的有限属性,使之大于现代宇宙视界的大小。

在广义相对论中,我们所居住的时空也可以有一个全局结构。你的时空可以是正曲率的,就像一个(高维)球体;它也可以是负曲率的,就像一个(高维)马鞍;它还可以是平坦的,在最大的整体尺度上既没有正曲率也没有负曲率。

尽管我们很容易看出正曲率空间是如何有限和封闭的,但要意识到平坦空间也可以有限和封闭,就不那么直观了,但这种情况确实是可能的。要理解这一点,只需简单地想象一个长而直的圆柱体,然后把这个圆柱体弯曲成一个甜甜圈状,直到两端连接起来。这种形状被称为圆环体,它在空间上是平坦的,同时也是有限的和封闭的。

如果宇宙没有膨胀,你只能想象以下两种可能性。

(1)宇宙可能是有限的和封闭的,无论它的曲率如何。如果你在一个方向上走得足够远,或者说在一个方向上走得足够久,你最终会回到起点。即使空间本身在拓扑结构上很奇怪,就像一条莫比乌斯带或一个克莱因瓶,你也可以继续前进,并最终回到旅程开始的地方。

(2)宇宙可能是无限、开放的,与它的曲率无关。无论你朝哪个方向走了多远,花了多长时间,你总会发现自己遇到了以前从未遇到过的“新空间”。没有什么能阻止你,也没有什么能使你回到出发的地方,除非你掉转头往回走。

宇宙的预期命运(前三张插图)都对应着一个物质和能量共同对抗初始膨胀速率的宇宙。在我们观测到的宇宙中,宇宙加速是由某种类型的暗能量引起的,这种暗能量至今仍未得到解释。如果宇宙膨胀速率继续下降,就像前三种情况一样,那你最终可以赶上任何东西。但如果你所处的宇宙包含暗能量,情况就不再是这样了。

▲ 宇宙的预期命运(前三张插图)都对应着一个物质和能量共同对抗初始膨胀速率的宇宙。在我们观测到的宇宙中,宇宙加速是由某种类型的暗能量引起的,这种暗能量至今仍未得到解释。如果宇宙膨胀速率继续下降,就像前三种情况一样,那你最终可以赶上任何东西。但如果你所处的宇宙包含暗能量,情况就不再是这样了。

当我们以各种已知的方式观测宇宙 —— 包括其中的各种星系、各种气体和等离子体、恒星辐射、星际物质分子,甚至是宇宙大爆炸本身 —— 我们都在寻找重复的模式,希望能找到证据,证明宇宙在我们可以观察到的尺度上可能是有限的。

事实上,我们唯一一次看到多幅同一天文源图像的时候,就是在空间某处有一个巨大的引力质量时,来自背景源的光被扭曲成多个不同的路径,而这些路径都可以成功地到达我们的眼睛。尽管这种现象 —— 被称为“强引力透镜”—— 在光学和科学上都有非同寻常的意义,但它只局限于天空中非常狭窄、局部的角度和区域。

然而,我们还没有这样的好运气。事实上,我们已经能够满怀自信的说,整个宇宙中并不存在重复的结构,没有哪个物体会与我们在另一个方向观察到的物体相同;甚至在宇宙“最初的光”当中,我们也没有在两个不同区域发现完全相同的模式。

但现在,让我们来思考一个既重要而又令人不安的现实:宇宙不是静态的,而是在膨胀的。更确切地说,宇宙不仅仅在膨胀,因为其中也充满了物质和能量,它在膨胀时也有引力的作用。我们可以想象,至少在原则上,这意味着我们的遥远未来存在某些可能性。

(1)引力效应可能比目前的宇宙膨胀更强大,这意味着,宇宙会膨胀一段时间,达到最大尺度,然后逆转方向,开始收缩,甚至可能以“大坍缩”结束,就像一开始的“大爆炸”一样;

(2)引力效应可能没有目前的宇宙膨胀强大,这意味着宇宙将永远膨胀,尽管膨胀速度可能会继续放缓;

(3)引力效应与初始膨胀可以完美地平衡彼此,这意味着,膨胀速率将以渐近线的形式接近于 0,但永远不会逆转或重新坍缩。

在 20 世纪的大部分时间里,这就是宇宙学家们考虑的三种主要可能性。对宇宙膨胀速率和膨胀历史的探索,就是为了更深入地区分这些选项。

可见宇宙的大小(黄色),以及我们所能达到的范围(洋红色)。可见宇宙的极限是461亿光年,因为这是一个发出光的物体在远离我们138亿年之后到达今天我们所处位置的极限。然而,在大约180亿光年之外,即使我们以光速前往一个星系,也永远无法追上它。

▲ 可见宇宙的大小(黄色),以及我们所能达到的范围(洋红色)。可见宇宙的极限是 461 亿光年,因为这是一个发出光的物体在远离我们 138 亿年之后到达今天我们所处位置的极限。然而,在大约 180 亿光年之外,即使我们以光速前往一个星系,也永远无法追上它。

如果第一个选项描述了我们所处宇宙的现实,那你就不可能永远走直线,因为宇宙只存在有限的时间,你最终会撞到一堵墙,一堵时间的墙。你可以一直沿着直线旅行,在宇宙再次完全坍缩之前回到起点,但到时你或许只能享受一小段时间。

如果第二个或第三个选项描述了宇宙的现实,那你最终将能够“追上”任何存在于太空中的星系或物体,甚至是那些正在以极快的速度远离我们的星系或物体。随着时间的推移,膨胀率会持续下降,渐渐地,越来越多的遥远星系会第一次出现在我们的视野中,并最终被一个在足够长时间内沿同一条直线移动的太空旅行者超越。如果宇宙是无限的,那我们最终可以追上任何东西;如果宇宙是有限的,我们最终会回到自己的起点。

然而,更重要的问题是,这些场景都不足以描述我们的宇宙实际上是如何膨胀的。我们其实生活在一个由暗能量主导的宇宙中,这是空间结构中固有的一种能量,它总是保持恒定的能量密度。即使空间本身在膨胀,暗能量的密度也永远不会下降,因此,膨胀速率永远是正的和有限的。这极大地改变了我们对宇宙命运的预期,这意味着,对于任何一个距离很近,但不受银河系引力约束的星系,一旦它扩展到一定距离之外,我们就永远无法追上它。换言之,这个星系将从我们“触手可及”的地方消失,无论我们朝它的方向旅行了多长时间,无论我们能达到的速度有多接近光速。

很遗憾,这就是我们目前所能获得的答案。沿一条直线,你可以在时间上永远旅行下去,但只能到达可观测宇宙的很小一部分。任何超出当前宇宙视界的事物 —— 超出我们目前所能看到的极限 —— 都永远超出了我们的观测能力范围。事实上,我们今天已经无法观测到任何比 180 亿光年更远的物体了。换句话说,在我们所能观测到的所有物体中,只有大约 6% 的物体是我们可以到达的。每过一秒钟,就会有成千上万颗恒星被膨胀的宇宙推过这个临界边界,导致它们从“可及”过渡到“不可及”,即使我们现在就以光速出发追赶它们。

尽管有各种解释宇宙形状、曲率和拓扑结构的可能性,但即使永远沿直线旅行,你也永远不会回到起点综合事实如下:

・宇宙正在膨胀;

・暗能量导致膨胀加速;

・现在距离宇宙大爆炸已经过去了 138 亿年了;

・宇宙不会重复,在小于~460 亿光年的尺度上也不是有限的,这使我们永远无法像环绕地球那样,环绕宇宙航行。在某种非常宏大的尺度上,宇宙也许在本质上确实是有限的。但即使如此,我们也不可能知道。尽管只要我们愿意,就可以一直在宇宙空间中以尽可能快的速度旅行;我们可以想象没有尽头,但大部分的宇宙已经永远地远离我们,而且越来越远。一个宇宙视界限制了我们在不断膨胀的宇宙中旅行的距离,就目前的我们而言,超过 180 亿光年远的物体实际上已经消失不见了。

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关键词:宇宙宇宙膨胀

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