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为什么可观测宇宙之外无法观测?

之所以会有“可观测宇宙”的概念,很大程度上,是因为以地球为参考系,宇宙的膨胀速度可以超越光速,而宇宙是有一个起点的,宇宙至今是138亿岁,因此我们能看到的范围就要远小于宇宙本身的大小。因此,可观测宇宙之外还是宇宙。

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那具体是咋回事呢?今天,我们就来聊一聊这个话题。

在20世纪之前,当时的科学家对于宇宙的主要观点就是:在大尺度上,宇宙不会随着时间流逝而发生改变。也就是说,宇宙自始至终就是一个样子,也就是我们常说的永恒。到了1915年,推发表了著名的广义相对论。

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在广义相对论中,爱因斯坦推导出了一个著名的广义相对论引力场方程。但是,他就发现,这个方程预言了宇宙随着时间的流逝而膨胀,但是爱因斯坦的观念并允许宇宙是这样的,于是,他在广义相对论的引力场方程中加了一个宇宙学常数,这样就可以抵消掉这部分膨胀效应。

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结果呢?才没过多久,爱因斯坦被天文学家哈勃用观测进行实力打脸。哈勃长年观测银河系外的星系,他就发现一个有趣的现象,那就是大多数的星系都在发生红移。这代表了什么呢?

实际上,红移说明这些星系都在远离我们,而且进一步分析发现,它们的原理是因为宇宙在膨胀,而不是星系自身在动。

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哈勃的观测结果直接指向了一个“膨胀”的宇宙。而也有很多科学家提出了和爱因斯坦完全不同的宇宙学观念,这其实也就是宇宙大爆炸的前身。他们认为宇宙有个炙热的奇点,诞生于一次大爆炸。

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大爆炸之后,宇宙就开始剧烈的膨胀,宇宙空间在短时间内膨胀到了一个特别大的尺寸,而之后,由于引力占据了主导,开始减速膨胀。

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这里要说明一下,宇宙的膨胀是一个整体性的膨胀,而不仅仅是边缘在向外扩展。于是,科学家通过理论计算,就可以得到宇宙的年龄,根据最新的普朗克卫星的观测结果,宇宙的年龄大概在138亿岁左右。那和可观测宇宙有什么关系呢?

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可观测宇宙是咋来的?

实际上,我们要思考一个问题,那就是我们是如何观测。这么说吧,人类大多数时候都是利用电磁相互作用来观测。啥意思呢?

比如,你能看到东西,主要原因就是物体要么自己发光,要么反光,光线进入到你的眼睛里,你才会看到它。

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而我们要知道的是,光速是固定的,也就是3*10^8m/s。这就意味着,即使你能够看到的,也只是看到物体过去的影响,因为光从物体表面发出或者反射,到最终进入你的眼睛是需要时间的。因此,我们看到的其实都是过去。

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而宇宙大爆炸是发生在138亿年前的,因此,我们理论上最多能看到半径138亿年的宇宙空间,但我们要知道是可观测宇宙的半径却是465亿光年。那为什么会如此大的差异?

其实之前的“138亿光年”没有考虑宇宙在膨胀,如果我们把宇宙膨胀也考虑进去,就可以得出这个结论。

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但我们要知道的是,宇宙大爆炸后38万年,宇宙温度下降到3000度左右,宇宙的原子结构逐渐形成,光才开始在宇宙中传播的,之前宇宙是一锅滚烫的粒子粥。因此,我们理论上看到的历史最遥远的影响其实是宇宙大爆炸之后38万年后发出来的光,这也被我们称为宇宙微波背景辐射。

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如果把宇宙膨胀的因素考虑进去,就可以得到461亿光年的范围。那你可能要问了,不是说好的465亿光年吗?这咋还相差了4亿光年?

这里其实还有一个非常重要的问题需要考虑进去,之前说到的其实是利用电磁相互作用来观测,可现在的我们不仅仅可以利用电磁相互作用了,我们还可以依靠。实际上引力波不仅仅是出现在两个大质量天体的合并,宇宙诞生时也会产生引力波,被我们称为原初引力波。

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引力波从宇宙诞生时就产生了,因此,利用引力波理论上可以观测宇宙诞生时的情况,所以,那段利用电磁相互作用无法观测的38万年,可以利用引力波进行观测。但我们同样需要考虑到宇宙膨胀的情况,加上宇宙膨胀效应,我们就得到4亿光年,加上之前的461亿光年,也就是465亿光年。这其实也就是可观测宇宙半径的由来。

可观测宇宙之外为何无法观测?

而可观测宇宙之外的宇宙,按照目前的物理学理论,我们没有任何办法利用任何的办法对其进行观测。这个限定首先来自于宇宙的年龄,其次就来自于观测手段。当然,你可能会说难道不能利用吗?

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实际上,虫洞确实可以实现超光速的行为。但问题是,虫洞至今还只是一个理论,并没有实际观测到任何一个“虫洞”的存在。因此,虫洞的存在都受到质疑,我们又如何利用虫洞呢?

所以,在现有的理论框架下,我们无法观测可观测宇宙之外的宇宙。

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