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已知宇宙(人類已知宇宙有多大)
我們對宇宙的觀測受到兩大因素的限制,其中一個因素是光速有限,導(dǎo)致那些非常遙遠(yuǎn)的射線仍然無法到達(dá)地球,另一個因素是宇宙一直在加速膨脹,這導(dǎo)致天體相互遠(yuǎn)離,距離越遠(yuǎn),相互遠(yuǎn)離的速度越快,以至于那些距離我們非常遠(yuǎn),速度超過光速的天體無法觀測到。
(相關(guān)資料圖)
所以我們只能在有限的范圍內(nèi)觀察宇宙。就目前的情況來看,我們在宇宙中最遠(yuǎn)的觀測距離大約是465億光年。也就是說,已知的宇宙是一個半徑為465億光年的球體空。所以我們有一個問題。既然已知宇宙半徑為465億光年,那么飛出這個范圍我們會看到什么?
根據(jù)科學(xué)家對宇宙多年的觀測,在大尺度上,宇宙中物質(zhì)和能量的分布是各向同性的。簡單來說,當(dāng)我們在宇宙中向四面八方看時,宇宙的宏觀結(jié)構(gòu)都是一樣的。就好像我們乘著一艘小船漂流在海洋深處。無論從哪個方向看,海面都是一樣的,只不過海面是二維的,宇宙是三維的。
因此,如果我們飛到已知宇宙的邊緣,我們將能夠看到許多我們從未見過的天體,但總體而言,我們看到的宏觀宇宙不會有明顯的區(qū)別。
這個推測有點(diǎn)無聊,但我們說的是飛出已知宇宙會看到什么,而不是說只能飛465億光年。那么如果我們飛得更遠(yuǎn),會看到什么呢?
愛因斯坦告訴我們,一個有質(zhì)量的物體可以使原本平坦的3D 空彎曲,并且由于宇宙是各向同性的,所以會有整體的曲率,這可以分為以下三種情況。
由此可見,如果宇宙的曲率為負(fù)或者為零,那么宇宙就是開放的。當(dāng)宇宙的曲率為正時,宇宙的形狀是一個封閉的三維球體。在這種情況下,如果我們一直朝同一個方向飛行,只要我們的飛行速度快于宇宙的膨脹速度,飛夠長時間就能回到起點(diǎn)。就好像我們在地球表面一直朝同一個方向走,只不過地球表面是二維球體,而宇宙是三維球體,多了一個維度。
于是,如果單純從三維空的角度來考慮,那么無論宇宙是什么形狀,在我們眼中,宇宙都是無邊界的。在這種情況下,無論我們在宇宙中飛多遠(yuǎn),都不可能飛到宇宙的邊緣。由于宇宙的各向同性,雖然我們可以看到不同位置的不同天體,但在我們眼中,宇宙的宏觀結(jié)構(gòu)永遠(yuǎn)是。
如上圖所示,A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)都位于2D球面上,而D點(diǎn)位于2D球面之外。顯然,只有D點(diǎn)能看到這個2D球面的全貌,這是因?yàn)镈點(diǎn)多了一個維度。
這意味著,要想開闊視野,就需要飛出三維度空的范圍,從更高維度去觀察。如果我們真的做到了,那么我們將直接看到宇宙的形狀。它的形狀可能是一個封閉的球面,也可能是一個彎曲的鞍面,或者像一張平面的紙,但所有這些形狀都具有三維結(jié)構(gòu)。
所以問題是,從更大的角度來看,宇宙之外是什么?雖然沒有人知道這個問題的確切答案,但人們已經(jīng)提出了許多假設(shè)。比如有人認(rèn)為宇宙的外部什么都沒有,既沒有時間,也沒有空,當(dāng)然也沒有物質(zhì)和能量。
也有人認(rèn)為,在我們的宇宙之外還有其他的宇宙,它們的數(shù)量可能是無限的,它們內(nèi)部的物理規(guī)律也可能是不同的。這些宇宙和我們的宇宙一起構(gòu)成了一個無盡的結(jié)構(gòu)。值得一提的是,有一個有趣的觀點(diǎn)認(rèn)為我們的宇宙可能是一個超級黑洞。為什么這么說?我們繼續(xù)看。
是宇宙空中與外界完全隔絕的封閉空房間。它的形狀是一個三維球體,其半徑稱為史瓦西半徑。具體計算公式如下。
我們可以簡單的理解為,質(zhì)量大的物體,當(dāng)其自然半徑小于其史瓦西半徑時,就變成了黑洞。從上圖可以看出,物體的史瓦西半徑與其質(zhì)量成正比,而眾所周知,球體的體積與其自然半徑的立方根成正比,也就是說對于密度均勻的球體,當(dāng)其質(zhì)量超過一個臨界值時,其史瓦西半徑就會超過物體的自然半徑。
因?yàn)橐阎挠钪媸歉飨蛲缘模晕覀兛梢园阉闯梢粋€密度均勻的物體。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)估算,已知宇宙的質(zhì)量為10.54 kg。代入上式,可以得出已知宇宙的史瓦西半徑約為1566.71光年。
顯然,這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了已知宇宙465億光年的自然半徑。正因?yàn)槿绱耍腥颂岢鑫覀兊挠钪媸且粋€超級黑洞,在這個黑洞之外,有一個更大的宇宙把它包裹起來,就像我們的宇宙有很多黑洞一樣。
需要注意的是,以上觀點(diǎn)都是基于對已知宇宙的認(rèn)知做出的合理推測,并不是科學(xué)界的結(jié)論,你只需要了解一下就可以了,不要太當(dāng)真。
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