宇宙一直在膨胀,表示外面还有空间,那么宇宙外面到底是什么呢?

随便翻开一本现代天文书刊都会告诉我们,宇宙诞生于一个奇点在138.2亿年前的爆炸,一直到现在宇宙已经达到了930亿光年的可观测宇宙,但它仍然在高速膨胀中,如果有人问宇宙外面是什么呢?答案是外面不存在时间与空间,什么都没有!

宇宙一直在膨胀,表示外面还有空间,那么宇宙外面到底是什么呢?

但问题是既然宇宙还能膨胀,这表示外面一定还有空间,宇宙的外面到底是什么呢?

可观测宇宙到底是什么意思?

我们能接触到的天文名词中,可观测宇宙出现频率很高,到底什么是可观测宇宙呢?这得从宇宙大爆炸说起,按惯例我们得交代下大爆炸的由来!

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自大神爱因斯坦推出广义相对论后的2017年就已经发展出了广相宇宙学,因为很多科学家都从广义相对论推导出了宇宙是一个动态的过程,而勒梅特则更进一步提出了原生原子假说,其实这就是宇宙的大爆炸说的前身,刚好哈勃观测到越远的宇宙以更快的速度离去,因此宇宙膨胀就来自于此!

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后来伽莫夫的太初合成理论被后期发展的射电望远镜观测物质分布所证实,拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼预言宇宙微波背景辐射则被阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在1964年观测证明,因此大爆炸说开始占领科学界!当然还有1998年发现Ia超新星观测发现宇宙正在加速膨胀,则更在与宇宙膨胀的道路上走得更远了!

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宇宙大爆炸的几个过程

有了观测的铺垫,科学家推测大爆炸在138.2亿年前开始,大爆炸的过程下面简单叙述下:

宇宙大爆炸后都是一锅能量,当时间到达10^-6S时宇宙中才出现电子、夸克和光子,之后夸克在强力作用下形成了中子和质子等重子!此后则是随着温度继续降低,质子与质子以及中子结合,形成独立质子的氢和氦以及微量锂原子核!

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但此时宇宙温度还极高,光子还被束缚在在里面,一直要到38万年年后!此时随着宇宙的膨胀,温度降到足够低,光子才可以被解放出来,得以在宇宙中乱窜,而继续降低的温度也让电子被原子核捕获,物质正式形成。

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之后就是宇宙的黑暗时代,宇宙继续膨胀,物质则在引力的作用下逐渐形成恒星,大量的恒星在原初黑洞的引力作用下形成星系,最后的宇宙就是我们现在看到的这个样子!

可观测宇宙的由来

宇宙的诞生和可观测宇宙密切相关,因为每一个时刻都代表着人类可以实现的可观测极限,比如我们现在能在可见光波段观测到的最远天体大约是134亿光年外的GN-Z11,这个星系实在是太遥远了,根据宇宙膨胀,它大约在300亿光年外!

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如果除开可见光限制变成全波段电磁辐射段观测,那么就是宇宙大爆炸38万年后跑出的第一批光子,由于距离遥远,宇宙膨胀太快,已经红移到到了电磁波段,这就是阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在1964年发现的宇宙微波背景辐射,这在哪里呢?461亿光年外(请注意这是半径)!

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人类可观测极限

微波背景辐射外,电磁波已经无能为力,但还有一个观测手段,中微子!因为中微子是在宇宙大爆炸后1秒钟时退耦的,如果我们能捕捉到当时的中微子,那么它将携带大爆炸1S时的信息!最后的观测手段是引力波,它在宇宙大爆炸第一个普朗克时间后就诞生了,所以从理论上来看,只要接收到当时的引力波,那么宇宙从诞生以来的一切,我们都能了解!

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从微波背景辐射(可见光观测宇宙)到引力波(可观测宇宙)大约只有4亿光年,科学家也在建设更强大的中微子和引力波探测器,但当前正在或者未来规划建设的探测器还远远没有到达大爆炸时代,也许我们对可观测宇宙做一个了断还需要很久远的时间!

宇宙的外面和无限的宇宙

从大爆炸理论来看,宇宙没有外面!因为整个宇宙都是大爆炸产生的,时空和物质都在宇宙内,之外则是混沌,所以没有外面!但科学家还是不信邪,因此才有了测量宇宙大小的计划,从所有的数据来看,宇宙是平坦的无限大,并没有像我们认为的那样是一个超级膨胀的球体!

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斯隆数字巡天和普朗克卫星观测结果显示,宇宙有可能在我们看起来平坦的情况下弯曲和闭合,因为它实在太大了,我们仅仅观测930亿光年根本就看不出宇宙到底是闭合的还是开放的!重子声学振荡提供了一种不同的方法告诉我们,宇宙可能大到23万亿光年,这比目前人类认为的可观测宇宙要大1500万倍!

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宇宙还真可能有外面,那么斯隆数字巡天计划能告诉我们外面是什么吗?科学家怀疑,除了我们看到的自己的宇宙外,还有和多个宇宙和我们的宇宙一样,有着相同的物理规律,同样的物理结构和形成复杂生命的可能!在这些宇宙之间的存在着指数级的时空泡沫!

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这个多元宇宙可能真的无限大,至少在我们现在看来它还没有明确的边缘。

宇宙有外面,但它也有未来

1998年物理学家根据Ia型超新星观测的结果,发现宇宙大约在60亿年前就开始了加速膨胀,因此科学家提出了暗能量来解释这个过程,这让当年支持宇宙缓慢膨胀甚至大坍缩的科学家措手不及,这表示宇宙未来可能在暗能量的主导下,一直到最后一颗原子都被撕裂!

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宇宙的三种典型结局

实在太可怕了,在这样的背景下,再不济也是热寂,不可能回到大坍缩的这个可能了,因为大坍缩背后会矗立着一个循环宇宙的概念,也就是大坍缩后又会发生大爆炸,重新诞生一个宇宙!所以我们现在所在的宇宙可能是一次性的!

那么怎么样是热寂呢?

宇宙的熵会随着时间的流异而增加,由有序向无序,当宇宙的熵达到最大值时,宇宙中的其他有效能量已经全数转化为热能,所有物质温度达到热平衡。这种状态称为热寂,那么在宇宙中是如何表现的呢?

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所有星系的恒星产出逐渐停止,最后的红矮星燃料也渐渐耗尽,犹如宇宙中的蜡烛一根根熄灭最后一片漆黑,之后引力波扰动下行星脱离轨道,恒星也脱离了轨道,只剩下残骸和超大质量的黑洞。

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最后将到达质子都衰变的时代,假如质子真的能衰变的话,未来将变成伽马射线和轻子,然而黑洞也将蒸发,都变成光子和轻子,宇宙进入最低能状态!

大撕裂会是结局吗?

因为暗能量的发现,宇宙结局变成了大撕裂,但这是唯一的结局吗?这取决于暗能量的性质,暗能量真的是常数吗?真的会永远永远保持不变吗?还是会增加强度?它会减弱并衰减到零吗?它会反转吗?

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一切都是未知数,所以宇宙在未来还有很多不确定因素,我们对它的理解将取决于对暗能量的认识,这是关乎一切的终极命运!

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