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五位学者小议:宇宙是否有尽头?

宇宙是否有尽头,时间是否有长短……”,来自影视台词中的问题正是目前科学家所困惑的。宇宙是无限的吗?我们现在依然无法给出确切的答案。一些物理学家提出了宇宙的几何形状是闭合的甜甜圈,以此认为宇宙是有限的。而另一些学者相信快速暴涨的概念,我们只能在可观测宇宙中了解物质与存在的概念。本文五位学者,包括天文学家、科学哲学家、科学史家对宇宙是否是无限的给出了自己想法。

撰文丨Noor Gillani

编译丨田芳

我们已经知道宇宙在膨胀,但是近些年来研究发现膨胀的速度远超过我们的预期。

尽管望远镜和卫星技术有了很大的突破,但是人们认为宇宙中仍有很多事物远在我们的视线之外,超出了所谓的可观测宇宙(observable universe)。

这也意味着我们还不确定整个宇宙的形状――究竟它是一个闭合的宇宙“甜甜圈(doughnut)”,还是像一张无穷大的纸一样延伸的平面,或者是一个不断膨胀的巨大球体?

宇宙学家经常提到没有边缘和顶点的甜甜圈――类环结构。环状是很重要的数学结构。

科学家想要了解空间的尽头以及那里可能的样子。他们是如何看待宇宙的命运,它会永远膨胀吗?我们采访了五位科学家,似乎还没有确定的的结论。

以下是他们回答。

Anna Moore(澳大利亚国立大学空间研究所教授,天文学家):可能

简而言之是,“我们不知道宇宙是否有限”。我们知道可观测宇宙――我们可以明显看见和测量的部分――起源于138亿年前的大爆炸。所以我们知道宇宙的年龄是有限的,至少可以从大爆炸时期算起。但是宇宙现在变得越来越大。从大爆炸时期以来,它就开始从各个方向膨胀,现在仍在继续(近来膨胀的速度越来越快)。

大爆炸的残余辐射,被称作“宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background)”,代表了更小、更炽热、更致密的宇宙的最早期图像。我们可以从早期的图像来理解最大尺度的宇宙的形状(或者几何形状)。知道这点对于我们了解宇宙是无限的还是有限的非常重要。

卫星的探测结果表明,宇宙具有平坦的几何形状。在平坦的宇宙中,两束并排射入空间的光束将永远保持平行,不会相交也不会远离。这样来看,我们仍然可以将圆筒或者圆环(甜甜圈)形状的宇宙视为“平坦的”。

目前的探测技术还不够精确,无法让我们知道宇宙的平面几何结构是否可以由一张纸、一个圆筒、环面还是任何其他允许两束光平行通过的结构来表示。一个无限的宇宙可能是像一张纸一样的平坦几何形状,将永远延伸下去并包含一切的可能性,比如我们自己的无穷版本。另一方面来讲,一个甜甜圈形状的宇宙将必须是有限的,因为它是闭合的。但是目前为止,我们仍然不知道宇宙的形状,也不知道它的大小。

Sara Webb(斯威本科技大学天体物理学博士生):是的

我相信宇宙是无限的。我们知道宇宙起源于大爆炸。从观测来看,我们还不知道在哪里起源,但大爆炸发生了。不论你在宇宙的哪里(在银河系或者很遥远的地方),宇宙以你为中心向各个方膨胀。现在我们计算出宇宙有大约138亿年的历史了,意味着已经膨胀了很多。所以从逻辑上来讲,我们可以估计宇宙的半径为138亿光年,对吗?

但是可观测宇宙的半径事实上有460亿光年,这意味着我们可以看到的第一束光(大爆炸后38万年)来自460亿光年之外的距离。这是由于所谓的“快速暴涨(rapid inflation)”。然而,我们没有理由认为可观测宇宙的边缘就是实际宇宙的边缘。

我们倾向于事物具有三维形状,如球体、立方体或者锥体等。我们可以把宇宙想象成一个无限膨胀的球体。或者它可能以一种使自己成为闭合系统(甜甜圈)的方式弯曲,在这个系统里你可以沿着直线航行足够远,而最终会返回到你出发的地方――宇宙是有限的。

但是我倾向于另外一种可能性,即大爆炸之后的暴涨。有一个理论认为,暴涨实际上是永恒的暴涨,这意味着它总是发生在这里或者那里,使得宇宙是无限的。这就要深入研究量子涨落甚至多重宇宙那样难以想象的理论。作为科幻爱好者,我怎么可能不希望它是真的呢?

Tanya Hill(墨尔本大学名誉研究员,维多利亚博物馆高级策展人,天文学家):是的

我们能看到的宇宙是有限的。可观测宇宙是有限的,它不会永远存在。它在我们周围延伸至460亿光年(虽然我们的宇宙有138亿年的历史,随着宇宙正在膨胀,可观测宇宙的范围更广)。

可观测宇宙是以我们为中心的。遥远星系中的外星人也可以拥有以它们自己为中心的可观测宇宙。虽然这些不同中心的可观测宇宙可能会有一些重叠,但是也不可避免地会存在一些我们所看不到的区域。因此,我们不可能说宇宙是否有限,因为我们不能完整地看到它。相反,我们通过探索宇宙的形状来解决这个问题。尽管我们不知道整个宇宙的形状,但是我们知道以我们为中心的宇宙部分是平坦的。这意味着在巡航控制下平行飞行的两枚火箭将始终保持平行。因为空间不会弯曲,火箭也永远不会相遇或者远离彼此。

一个平坦的宇宙可能是无限的,比如一张永远延伸的二维纸张。但它也有可能是有限的,比如用一张纸做成一个圆柱体,并将两端连接起来形成一个甜甜圈。这就是问题所在。

此外,宇宙可能有很多种弯曲的方式,但是我们生活在一个平坦的区域。这是一种非常特别的情况,我们用“暴涨”理论来解释。暴涨就是宇宙在很早期的时候在短时间内迅速膨胀,解释了我们空间中所有的扭结(kinks)和曲率(curvature)。暴涨阶段之后,宇宙变成了我们今天看到的样子。但是暴涨可能不止对我们的宇宙有影响,也许它也发生在别的地方,而且正在发生。这会使得整个宇宙有多大,甚至是多重宇宙有多大?在我看来,它开辟了某种可能性,无限的宇宙比有限的宇宙更容易被想象。

Sam Baron(澳大利亚天主教大学副教授,科学哲学家 ):不是

有一个约定俗成的观点就是假设空间是无限的,但是我认为这是错误的。它大概这样表述:如果宇宙是有限的,那么它一定会有边界。但是想象一下,你驾驶宇宙飞船飞向遥远的宇宙深处,结果你发现了宇宙的边界,那简直是不可思议的――边界会是什么样子?因此,宇宙必须永远延伸下去。

但是还存在别的方式可以让空间是有限的。它可能是一个环面,空间上有限但是没有边界,就像一个宇宙甜甜圈。如果宇宙是甜甜圈形状的,那么要有一个非常科学的测试来检验宇宙是否是有限的。

假设你将一束光瞄准非常远的反射面。如果反射面的表面不平整,这束光将会被反射到多个方向。如果宇宙是甜甜圈形状的,反射光线将会随着宇宙的形状逐渐弯曲,最终会绕回来并相交(如下图所示)。这种情况只发生在宇宙有限的条件下。在无限的宇宙中,光线将会无限传播下去。

现在假设你站在光线相交的地方。你转身看去,看到了那个反射光线的物体;如果你转向另一侧,你还是看到了同一个物体,此时光线来自不同的角度。如果反射物是一颗遥远的行星,你因此可以看到同一颗行星两次。科学家们已经开始在大爆炸留下的昏暗光芒中寻找这种镜厅效应(hall of mirros effect)。它或许可以证明宇宙的大小和形状。虽然还没有发现任何确凿的结论,但是人类不断探索,谁知道又我们可以揭示什么呢?

一个检验空间是否有限的测试:如果我们从一个物体反射光,两次看到反射物;那么我们生活的空间可能是有限的和弯曲的!

Kevin Orrman-Rossiter(墨尔本大学科学史与科学哲学博士研究生):不是

说到“无限”,我们通常指的是无边界或者无穷尽的事物。我的观点是宇宙是有限的。为了论证这一点,要先暂时假设宇宙是无限的。一个很简单的例子,我乘坐宇宙飞船向任意方向出发,永远不会到达边界。但是这个实验就存在一个问题:我可能需要飞行无限长的时间来确保“再远一点”就没有边界了,而以什么样的速度行驶并不重要。为了证明空宇宙是无限的假设,我的航程需要是无限的。显然,目前没有多少机构来会来资助这样的实验。

这表明,为了论证宇宙是无限的,我们必须通过观测而不是直接的实验。在上个世纪,我们通过观测对宇宙有了很多的了解。我们知道,宇宙起源于大概138亿年前。从观测中,我们也知道宇宙正在膨胀。我们已经探测到了微波背景辐射――被认为是大爆炸时期的残余辐射。我们今天看到的宇宙是一个缓慢膨胀的星系网。

宇宙学中的一个关键问题就是这种膨胀是否会继续,是否会改变速度,是否可以逆转。回答这个问题就需要对暗物质和暗能量的性质进行了解。

有趣的一点是,不论宇宙的模型如何(这里仍然有非常重要的缺失),目前的宇宙学思想就是,宇宙会有一个终结,它不会永远存在。宇宙在时间上的存在是有限的,由此回到我的论点,我建议在某个阶段结束我们的宇宙航行。

参考资料

1. https://www.space.com/33892-cosmic-microwave-background.html

2. https://www.quantamagazine.org/what-shape-is-the-universe-closed-or-flat-20191104

3. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/10/14/ask-ethan-is-the-universe-finite-or-infinite/?sh=7429ea2d4967

4. https://www.space.com/31465-is-our-universe-just-one-of-many-in-a-multiverse.html

5. https://www.nature.com/articles/news.2008.854

6. https://www.newscientist.com/article/dn4250-tantalising-evidence-hints-universe-is-finite/

7. https://press.princeton.edu/books/hardcover/9780691196022/cosmologys-century

原文链接:https://theconversation.com/more-than-70-of-the-universe-is-made-of-dark-energy-the-mysterious-stuff-even-stranger-than-dark-matter-131569