光到底能否到达宇宙边缘?

宇宙到底有多大?它是什么形状的?边界在哪里?针对这些困扰人类已久的宇宙学终极难题,最近多名科学家从不同角度给出了自己的猜测。

宇宙没有边缘,就像一个圆没有开始或结束

加州理工学院物理学家Sean Carroll教授认为,受光速限制,人类能够观测到的宇宙有个最大范围,这个范围被称为可观测宇宙。宇宙大约在137亿年前诞生,即使我们极力远眺,最多也只能看到137亿年前发生的事,即大爆炸的残余辐射。宇宙微波背景辐射散布在整个空间中,但它并非宇宙真正的物理边界。

目前为止,我们所观测到的宇宙在各个方向上都是均匀同性的。如果宇宙真正的形状是一个三维球体或圆环,那么它的大小就是有限的,但仍然没有边缘,就像一个圆没有开始或结束。这意味着如果你搭乘一艘飞船沿任意方向航行,如果旅行的时间足够长,你就有可能回到起点。

宇宙边缘和这里一样,那里的智慧生命也有同样的疑问

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的天文学家Jessie Shelton认为,一味追寻宇宙边缘并没有实际意义。无论我们观测多远的距离,看到的不过是宇宙的历史,根本无法获知宇宙现在的状况。比如天文望远镜拍摄到的仙女座星系影像,实际上是它250万年前的样子。

由于宇宙正在加速膨胀,即使它真的存在边缘,从那里出发的光子也永远不可能落到我们的视网膜上。换句话说,我们永远无法观测到宇宙边界的景象。从最大尺度来看,宇宙边缘很可能与我们所处的空间一样,都有无数巨大的超星系团,每个星系团包含数不清的星系,每个星系包含几百亿上千亿颗恒星和行星——在其中一颗行星上,或许也有智慧生命提出同样的问题:宇宙边缘在哪里?

宇宙的“边缘”不止一个

杜克大学物理学家Michael Troxel认为,尽管宇宙的大小可能是无限的,但它或许有不止一个“边缘”。对于宇宙的几何学特征,通常有三种猜测——平坦得像一张纸,开放式的马鞍,或者一个封闭的球体。前两种形状的宇宙的确是无限的,而封闭的球状宇宙虽然有限,却没有真正的边缘。

宇宙有137亿年的历史,对于人类观测者来说,宇宙的“边界”有两个——奇点大爆炸后光子旅行的最远距离,以及信息能够传播的最远距离。前者被称为“宇宙地平线(或粒子视界)”,后者被称为“宇宙事件视界”。

如果一份光子从宇宙诞生后的黑暗之中挣脱出来,那么它到现在已经跨越了465亿光年的距离,这也是人类能够观测到的最远距离。另一方面,如果我们用无线电波以光速发送一条信息,它在加速膨胀的宇宙中最远只能传播到160亿光年,超出这个距离之外的智慧生命将永远无法接收到。

令人遗憾的是,目前最强大的人类望远镜也只能观测到133亿光年远的星系——根本无法看到宇宙的任何一个“边界”!

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