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宇宙在加速膨胀,是否表明外面还有空间,宇宙之外有什么?

在100多年前,当时的人们普遍认为宇宙是永恒不变的,即宇宙既没有起点,也没有终点,不管宇宙内的天体怎么运动,宇宙始终保持永恒不变,以此建立的宇宙模型也被称之为静态宇宙模型。

直到爱因斯坦建立广义相对论后,才逐渐打破了这一固有认知。狭义相对论统一了时间和空间,建立了全新的时空观。1915年,爱因斯坦在狭义相对论的基础上建立了广义相对论,该理论中有一个非常重要的场方程,这一方程预言宇宙不可能是静态的,会膨胀。奈何爱因斯坦当时也坚信静态宇宙模型,认为是自己出错了,又在场方程中加了个宇宙常数。如果该常数取值合适,就不会从方程中推出宇宙在膨胀这一结果。

在爱因斯坦发表广义相对论之后,物理学界就有很多人相继对其进行研究。1927年,比利时天文学家勒梅特就在此基础上提出了宇宙大爆炸理论,认为宇宙由在很久很久以前的一个致密炽热的奇点爆炸膨胀而来。

在人类对宇宙的认识过程中,哈勃起到了至关重要的作用。

美国天文学家哈勃在对河外星系的长期观测过程中发现大多数星系都存在光谱红移现象,即星系都在远离我们,宇宙在膨胀。一切波都适用多普勒效应,当星系远离我们时,我们接收到的电磁波的频率就会降低,在电磁波谱中会出现谱线红移的现象。

1929年,哈勃根据观测结果提出哈勃定律,发现距离我们越远的星系,远离我们的速度也就越快,即星系远离我们的速度与它和我们的距离成正比。如果不是宇宙在膨胀,而是星系本身在运动,那么有的星系肯定会靠近我们,光谱必然存在蓝移而不是红移,可事实上绝大多数星系都在远离我们,并且在退行速度上也步调一致,那么只有一种解释,就是宇宙在等比例膨胀。经过多次观测,现在科学家已经确认,宇宙在326万光年尺度上的膨胀速率在70公里/秒左右。

正是哈勃的贡献,让我们认识到宇宙是动态的,在不断地膨胀。之后的伽莫夫等人,则进一步完善了大爆炸理论,对宇宙的演化作出了详尽的描述。

1964年,彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙微波背景辐射,更是成为了支持宇宙大爆炸理论的强有力证据。

时间到了20世纪90年代,科学家通过对IA型超新星的观测,发现宇宙正在加速膨胀。宇宙加速膨胀的这一过程始于几十亿年前。主流观点认为,导致宇宙加速膨胀的原因是暗能量。事实上,如果对爱因斯坦场方程中的宇宙常数取合适的值,也能够得到宇宙在加速膨胀这一结果。观测结果表明,暗能量约占了宇宙中已知物质总量的70%,正是它提供了驱使宇宙膨胀的动力。

现在科学家们已经知道,宇宙诞生于138亿年前。宇宙的年龄是在哈勃常数等基础上推出来的,哈勃常数就是宇宙的膨胀速率。经过不断膨胀之后,现在宇宙已经变得非常的大,目前可以被人类观测到的宇宙的直径就有930亿光年。而永远无法被人类观测到的宇宙,据推测直径更是高达上万亿光年。之所以存在人类可观察之外的区域,就是因为宇宙整体的膨胀速率已经远超光速,而信息(电磁波、中微子、引力波等)的传播速度却不能超过光速,这意味着这些信息永远不可能触及到我们,当然也就观察不到。

宇宙有大小,在膨胀。根据我们的经验,宇宙之外肯定还有多余的空间,那宇宙之外究竟有什么

根据传统思维,这确实是个问题。不过根据我们对宇宙的定义,宇宙包含一切物质,以及所有的时间和空间。物质、时间和空间三位一体,不能单独存在,那么即使宇宙在膨胀,也并不意味着宇宙之外还有空间,因为宇宙膨胀到哪儿,哪儿才存在时间和空间。也就是说,按照现有的认知,宇宙并不存在外面这个概念。

如果宇宙真存在外面,那在我们这个宇宙之外可能还存在着若干甚至无数个与我们相同或者相似的宇宙。人类所在的这个宇宙可能只是整个宇宙海洋中的其中一个,而宇宙和宇宙之间的区域则可能是一片混沌虚无。这时又有人要问,宇宙海洋是怎么来的?宇宙海洋是有限的吗?宇宙海洋的外面又是什么?总之,最后会陷入无穷无尽的套娃式疑问之中。

由于宇宙正在加速膨胀,所以宇宙的命运可能也已经确定,最终会走向大撕裂,一切星系乃至原子,最终都会归于虚无。结果究竟如何,这还有赖于人类对暗能量性质的进一步研究。