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今日知识:宇宙的外面还有宇宙吗?


奥伯斯佯谬


        奥伯斯佯谬由德国天文学家奥伯斯于1823年提出,于1826年修订,是指若宇宙是穏恒态而且无限的,则晚上应该是光亮而不是黑暗的。在此之前,类似的想法已由开普勒于1610年及夏西亚科斯于十八世纪提出。黑暗的夜晚印证了宇宙是非穏恒态的,是大爆炸理论的证据之一。奥伯斯佯谬又称夜黑佯谬或光度佯谬。


         

        Olbers paradox 1826年,德国天文学家H.W.M.奥伯斯指出,一个静止、均匀、无限的宇宙模型会导致如下结论:黑夜与白天一样亮。但实际上夜空却是黑的。理论同观测的这种矛盾称为奥伯斯佯谬。采用天体之间有吸光物质、天体寿命有限或天体有演化、引力常数随距离而变化等都难以解决奥伯斯佯谬。在现代的膨胀宇宙模型里,奥伯斯佯谬不存在。这个矛盾是从观测和理论相联系的角度考虑宇宙的大尺度性质时提出来的。它标志著科学的宇宙学的萌芽。


        静态宇宙的观念是如此之强,以致于那些意识到引力理论导致宇宙不可能静态的科学家们并没有提出宇宙在膨胀,而是试图去修正他们的理论。甚至爱因斯坦于1915年发表其广义相对论时还非常肯定宇宙是静态的。因此他不得不在他的方程中引进一个所谓的宇宙常数来进行修正。他引入一个“反引力”,这个力是无源的,是空间-时间结构所固有的。他宣称空间-时间内在膨胀的趋势,刚好可以平衡宇宙间各物质的相互吸引,结果形成了静态的宇宙。这个理论在以后被爱因斯坦称为是“一生中最不可原谅的错误”。


        对于无限静止的宇宙首先发难的通常归功于德国哲学家亨利希·奥伯斯。1823年他提出了著名的“奥伯斯佯谬”。他指出,如果宇宙是无限静止的和均匀的,那么观察者每一道视线的终点必将会终结在一颗恒星上。那么不难想象,整个天空即使是在夜晚也会象太阳一样明亮。有人提出反驳:远处恒星的光线被它经过的物质所吸收而减弱。其实这看似有理的反驳是站不住脚的。因为吸收光线的物质将最终被加热到发出和恒星一样强的光为止。无限静态宇宙只有一种情形能避免夜空象白天一样明亮,那就是:恒星不是在无限久远以前就开始发光。在这种情形下,光线所经过的物质尚未被加热,或者远处的恒星光线尚未到达地球。于是又面临着一个问题:是什么使恒星第一次发光?这就是人类探索了无数世纪的问题——宇宙起源。


       1781年,哲学家伊曼努尔·康德在他的里程碑式的著作《纯粹理性批判》中深入的辨析了宇宙在时间上有无开端、空间上有无极限的问题,他称这个问题是纯粹的二律背反(即矛盾)。他论证道:如果宇宙没有开端,则任何事件前都必有无限的时间,这是荒谬的;而如果宇宙有一个开端,那么宇宙开端前是什么时间呢?康德认为正反两方面都存在令人信服的论据。事实上他的论证基于了一个隐含的假设,即不管宇宙是否存在了无限久,时间都可以无限地倒溯回去。但即将谈到的大爆炸学说将让人们理解:在宇宙开端之前的时间概念是没有意义的。


泡沫宇宙模型


        在我们生活的宇宙中,如果你沿着一个方向前进足够长的距离,你最终会回到你出发的地方。但天体物理学家们了解到宇宙正处于加速膨胀的过程之中,因此这趟漫长旅程只会花去越来越多的时间。那么既然宇宙在膨胀,它究竟最终将变成什么模样?


        我们的宇宙可能就像是肥皂泡一样,是许许多多从各自的大爆炸事件中诞生的宇宙中的一个。



        来自《今日宇宙》网站的弗莱舍·凯恩(Fraser Cain)表示,我们的宇宙或许只是一个巨大的“多重宇宙”中的一个。他说:“一个非常有意思的观点是认为,我们所在的宇宙实际上只不过是一个巨大的多重宇宙中的一个。每个宇宙都像是巨大多重宇宙空间内的一个肥皂泡,从各自的大爆炸事件中诞生并不断膨胀。”



        这就有点像是一滩宇宙“泡沫”,其中的每一个泡泡都是一个宇宙。这一理论认为,在每一个这样的宇宙中,基本的物理学参数都是不同的。我们宇宙中的物理学是由少数几个不同的物理参数所限定的,比如引力的强度,以及原子结合力的强度等等。


        这些参数在不同的宇宙中完全可能是不同的,其概率几乎等同于掷骰子。凯恩表示:“或许在另一个宇宙中,引力是让物体相互排斥的。”在绝大部分的其他宇宙中,生命都无法出现。但如果你将骰子投出无数次,其中必然会有至少一次出现一个各项参数恰好允许生命存在的宇宙。


        他解释说:“任何有能力感知宇宙的生命形式首先都必须存在于一个允许生命存在演化的宇宙中。”尽管这听上去似乎有些牵强附会,但实际上天文学家们已经有办法对宇宙进行测量并验证这一理论的正确性。


        首先,如果每一个宇宙“气泡”都不断膨胀变大,最终它们之间就将有可能开始发生相互作用。通过对宇宙微波背景辐射(CMB)的观察——那是宇宙大爆炸留下的余晖,科学家们能够识别出其中隐藏的温度起伏,或者说所谓的各向异性。


        随着宇宙膨胀的进行,这些具有不同物质密度的区域随之被放大了。这样的各向异性特征,绝大部分都能够通过目前我们所掌握的宇宙演化模型得到解释。但凯恩指出,有一个区域的情况却有些难以解释。他说:“这一区域非常奇特,以至于发现它的科学家将其称为‘邪恶轴心’(axis of evil)。”


        目前已经有很多理论试图对这一“邪恶轴心”现象作出解释,其中有一种观点就认为这一区域有可能就是我们的宇宙与另一个宇宙相互发生碰撞的区域。这一出现异常的区域距离我们有数十亿光年之遥,因此那里发生的任何事情目前都还不至于对我们造成任何影响。但我们仍然需要持续进行观测并尝试弄清这里究竟发生了什么。


有限无边”的宇宙


        “有限”,说明宇宙是从奇点爆发而来,是有直径的,信息总量是有限的(科学家也证明了宇宙的中信息比特是可以计算的),而不是无限大的。说无限的宇宙,是一种比喻,意思是宇宙之广袤使得人类永远无法探求极尽。



奇怪的宇宙不毛之地


        科学家认为,太空中一块不可思议的低温区域或许是某个平行宇宙与我们的宇宙相撞后产生的,这是证明我们或许身处多重宇宙的首个证据。


        2015年,天体物理学家发现了宇宙中一个奇怪的不毛之地,这里比太空中的其他区域要冷得多,而且似乎缺失了一万个星系。


        “冷斑”的跨度达18亿光年,是目前已知的宇宙中最大的结构,不过它所含的物质却比正常情况少了20%,自有相关记录以来,这一点一直困扰着科学家。



        不过,美国一些专家现在给出了答案。他们认为,某个平行宇宙与我们的宇宙相撞,撞击的影响非常大,以至于将能量从一大片区域挤出去,从而形成了“冷斑”。


        科学家现在认为,如果我们的宇宙在大爆炸后“膨胀”为真空,那么数以万亿计的其他宇宙可能也会以同样的方式形成,这样一来多重宇宙就诞生了。


        英国达勒姆大学的汤姆·尚克斯教授说:“对于‘冷斑’的一个解释是,它或许是我们的宇宙与数万亿个其他宇宙中的一个撞击后残留下来的痕迹。”


        他说:“如果进行更详细的进一步分析,证明情况的确如此,那么‘冷斑’或许可被视作证明多重宇宙存在的首个证据。”



        报道称,整个宇宙充满宇宙微波背景辐射,这是宇宙大爆炸的残留物,能用地球上的天文望远镜观测到。不过,大部分宇宙微波背景辐射的温度约为零下270.43摄氏度,但“冷斑”的温度比周围低约0.00015摄氏度。


        在这一新研究结果公布前,大多数科学家认为太空中的低温区域可能是光造成的错觉。


        他们猜测,低温区其实是少了一万个星系的“超级空洞”,因过于贫瘠而将穿过这里的光的能量吸走,令其波长改变进入光谱的红端,被望远镜误认成低温区。


        但达勒姆大学的研究小组发现,这一区域其实是由众多较小的空洞组成的,这些空洞的规模太小,不足以让光发生这样的改变。



宇宙有多大? 


        目前的天文物理学界的普遍看法是: 根据大爆炸理论,在具体的观测结果的基础上得出的计算结果大致如下: 


        时间上:根据对宇宙空间里的物质的观察,我们的宇宙应该在150亿年到280亿年之间。而且宇宙的生命不会超过10的34次方(年),这个数字是质子的生命时间,也就是到那时,所有物质都将湮灭而不复存在。


        空间上:可观测物质存在的跨度大致是10的22次方(光年)。

 

        质量上:其能量总和约为10的50次方(尔格)。


        按照大爆炸假说,宇宙确实有个边,不过这个边正在以很快的速度膨胀,我们无法准确的知道宇宙的边,所以被称为无边,在大爆炸中,宇宙也肯定是有限的,只不过是在变大,就和微积分一样,极限是无限,但它永远不可能达到无限,而且我们能够观察到的范围越来越远,所以我们只把我们能够观察到的总星系范围定义为宇宙。这仅仅是天文学角度。



数学家给出很多种模型,下面举两个例子: 


        平行宇宙: 根据相对论,光速是物质运动的速度极限.假设一个光子不被其它物质吸收,那么它将一直向前运动。因为它不可能被吸收,所以它是没有终点的。也就是说,存在这样的空间,是光永远无法达到的。由于那里离我们是这样的'远',所以我们无法知道那里的任何事情,也就是说存在着与我们这个宇宙决然不同的被另外一种数学规则所统治的宇宙. 逆推回来,它们那个宇宙也永远无法和我们的宇宙进行沟通,所以称为平行宇宙。


        多维宇宙: 这种宇宙其实更直观些。比如把二维空间(平面)看成一个封闭的宇宙,那么生活在二维空间里的生物将无法逃脱平面的数学束缚,也就是它无法从平面跳跃出来。 同样,由于我们生活在三维空间里,所以我们也无法逃脱三维空间特定的数学限制.那么四维五维乃至更多维的空间里的事物我们是可以猜想却无法真正了解的。需要补充的是,之所以我们可以猜想多维空间里的某些事物,是因为我们毕竟是多维空间的一个特例,就如同平面空间是我们三维空间的一个特例一样。



        彻底终结这个问题的人是一个叫'哥德尔'的奥地利数学家,他在上个世纪三十年代证明了哥德尔定理。 定理指出,任何一个数学系统,或者是数理逻辑系统都是不完备的。 也就是说,被喻为科学的基石的数学体系里存在着人类智慧无法解答的问题。


        1962年,美国数学家柯亨证明了'连续统假设'的独立性,为哥德尔定理确立了第一个数学模型。 那么根据哥德尔定理的推论,在我们这个数学体系定义下的宇宙,它的外面是我们这种数学体系下的智慧无法了解的。


        宇宙是一只巨大的膨胀的气球,所有的生命体都生活在气球表面,你在这只气球的表面如何的向一个方向不断行走,最近都无法超越气球的表面,而是最终回到你在气球出发的终点。理论上,一束光只要时间足够,是可以最终回到出发点的。但是,宇宙是急剧膨胀的,膨胀的速度超越了光速吗,所以这束光永远不可能回到出发的原点。



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