宇宙時空 宇宙之外有什麼?

宇宙之外有什麼?

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【新三才首發】Paul M. Sutter是紐約州立大學石溪分校及Flatiron研究所的天體物理學家,也是《Ask a Spaceman》和《Space Radio》的節目主持人,以及《在太空中會怎麼死》一書的作者。

這可能是你問過的最引人注目的問題之一,人類從一開始就一直在問:超出了已知的極限會是什麼?越過我們地圖的邊緣是什麼?這個問題的終極版本是,宇宙邊界之外是什麼?答案則是……嗯,這很複雜的。

要回答宇宙之外的問題,我們首先需要準確定義「宇宙」的含義。如果你把它理解為所有空間和時間中可能存在的所有事物,那麼宇宙之外就不可能有任何東西。即使你想像宇宙的大小是有限的,然後你想像在那個體積之外有些東西,那麼外面的任何東西也必須包括在宇宙中。

即使宇宙是一個沒樣子的、無形的、無名虛空的,但宇宙之外的它仍然是一個東西,被算在「所有事物」之列——因此,根據定義,它就是宇宙的一部分。

如果宇宙的大小是無限的,你真的不需要擔心這個難題。宇宙無邊無際,無限的大,沒有邊緣,甚至都無法說甚麼是宇宙之外。

哦,當然,我們可觀察到的宇宙區域是有一個外部。宇宙只有這麼「老」,而光傳播得這麼快。所以,在宇宙的歷史上,我們並沒有接收到所有銀河系來的光。目前可觀測到的宇宙寬度約為900億光年。據推測,在這個邊界之外,還有一堆其他雜亂的恆星和星系。

但再出去會是甚麼?這很難說的。

曲率的情況

宇宙學家不確定宇宙是無限大還是非常大。為了測量宇宙,天文學家轉而觀察它的曲率。宇宙大尺度的幾何曲線讓我們知道它整體的形狀。如果宇宙在幾何上是完全平坦的,那麼它可以是無限大的。如果它是彎曲的,就像地球表面一樣,那麼它會是有限體積的。

目前對宇宙曲率的觀察和測量表明,它幾乎是完全平坦的。你可能認為這意味著宇宙是無限大的。但事情沒那麼簡單。即使在平坦宇宙的情況下,宇宙也不必無限大。以圓柱體的表面為例。它在幾何上是平坦的,因為繪製在表面上的平行線始終保持著平行(這是「平坦」的定義之一),但它的大小是有限的。宇宙也可能是這樣:它可以是完全平坦的,但又是自我封閉的。

但即使宇宙是有限的,也並不一定意味著有邊緣或外部。可能我們的三維宇宙嵌入在某個更大的多維結構中。這沒有問題,它確實是一些奇特的物理模型的一部分。但是目前我們還沒有辦法測試它,而這一點也不會影響宇宙的日常運行。

我知道這非常令人頭疼,但即使宇宙的體積是有限的,也不必嵌入在甚麼之中。

視角問題

當你想像宇宙時,你可能會想到一個巨大的球,裡面裝滿了恆星、銀河系和各種有趣的天體物理的物體。您也許會想像它從外面看的樣子,就像宇航員從上方寧靜的軌道上觀察地球一樣。

但是宇宙並不需要那種外部視角才能存在。宇宙就是這樣的。在數學上,定義一個三維宇宙而不需要該宇宙的外部是完全自我一致的。當你把宇宙想像成一個漂浮在虛無中的球時,你就是在給自己玩數學上不需要的心理把戲。

誠然,聽起來不可能有一個無任何外部東西的有限宇宙。甚至不是虛空意義上的「無」——這完完全全在數學上沒有定義。事實上,問「宇宙之外是什麼」?就像問「紫色發出什麼聲音」?這是一個無意義的問題,因為你試圖將兩個不相關的概念結合起來。

很可能我們的宇宙確實有一個「外部」。但同樣的,情況也並非一定如此。數學中沒有任何東西可以描述需要有外部的宇宙。

如果所有的這些聽起來很複雜和令人困惑,請別擔心。開發複雜數學的全部意義在於擁有使我們能夠處理超出我們想像的概念的工具。這就是現代宇宙學的力量之一:它使我們能夠研究難以想像的事物。

(編譯:心宇)

(責任編輯:姜啟明)

(文章來源:新三才首發)

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