宇宙在膨胀,其外面还有空间,那会是什么?

自科学家们通过观测发现了宇宙在不断膨胀之后诞生出了许多问题,宇宙是否是有边界的,如果有的话宇宙的外面是什么世界,是否有其他生命存在于宇宙之外。

宇宙,这个目前仍有着诸多人类未解之谜的庞大世界一直是神秘的象征,科学家也从未停止对宇宙的研究。

自科学家们通过观测发现了宇宙在不断膨胀之后诞生出了许多问题,宇宙是否是有边界的,如果有的话宇宙的外面是什么世界,是否有其他生命存在于宇宙之外。

这些问题由于依靠人类目前的科学技术手段都不能得到解决,但是科学家们依据现有的知识,对宇宙以外的世界已经有了大致的预测。

宇宙及内部物质从何而来

宇宙大爆炸理论是能够解释宇宙到底如何诞生的模型,这个理论的基础是爱因斯坦的广义相对论。

大爆炸的发展过程可谓是世界上天文,物理学家不同观点的碰撞而得来的。1912年,维斯托·斯里弗首次测量了“漩涡星云”以及类似的星系正在逐渐远离地球,这个发现引发了世纪天文大辩论。

1917年爱因斯坦将广义相对论应用到了宇宙的研究中,但由于相对论的观点中宇宙是动态的,不符合当时的静态宇宙模型,爱因斯坦在此基础上添加了宇宙学常数进行了修改。

爱因斯坦宇宙学常数

1924年,天文学家埃德温·哈勃测得“漩涡星云”是位于银河系以外的星云,在不久之后的比利时物理学家勒梅特,提出了星云发生多普勒频移的原因是因为宇宙在不断膨胀。

这个观点的提出与弗里德曼的弗里德曼方程观点一致,两位科学家通过不同的方式得出了近乎相同的结论——宇宙在膨胀。

二战以后,世界上两种关于宇宙的观点一直在相互对立,直到1965年拉尔夫·阿尔菲与罗伯特·赫尔曼的宇宙微波背景辐射的发现成功证明了二人在之前的预言是正确的,因此宇宙大爆炸理论在被众多物学家所应用。

宇宙微波背景

宇宙微波背景

如今宇宙中的所有物质并不是在宇宙诞生之初就全部拥有的,这个过程可以通过爱因斯坦的广义相对论进行对宇宙膨胀进行推导,从而得出宇宙中的物质是如何诞生的。

目前较为广泛应用的模型中,大多认为宇宙在爆炸之初是由均匀分布且各向同性的高温高压物质构成。其实也不难理解,任何一样物质在发生爆炸后都会产生高温的环境。

随后宇宙一直在进行着降温和膨胀,膨胀发展到10^-37秒时,诞生了夸克-胶子等离子体,以及基本粒子。但这些粒子与反粒子由于数量相同,在不断的相互碰撞中创生或湮灭,这也就导致了但是宇宙中的重子数为0,宇宙中产生不出我们今天所谓的“物质”。

这个现象一直持续到宇宙膨胀的某个时期,夸克与轻子的数量以三千万分之一的数量级超出了其对应的反粒子数量,这导致了如今宇宙中以物质为主,反物质的量相对较少。

宇宙膨胀

当宇宙的温度降温使得所有粒子的能量普遍降低到1太电子伏特时,产生了我们今天所了解的基本粒子与基本相互作用。

在10^-6秒后,夸克与胶子结合生成了质子、中子等,但由于粒子的数量略微大于反粒子,这就导致了反粒子在与粒子的相互碰撞中全部湮灭,十亿分之一的质子中子留存了下来。

大爆炸进展到几分钟后,宇宙内的温度降低到了约10亿开尔文温度,出现了太初核合成,意思就是出现了质子与中子结合生成原子核的现象。

随后在大约万年之后,电子被原子核捕获,形成了以氢原子为主的原子群,这些原子通过辐射与脱耦在宇宙中传播,辐射的痕迹造成了如今发现的宇宙微波背景辐射。

宇宙微波背景辐射

虽然宇宙中的物质分布几乎均匀,但也不排除有密度大的区域。这些物质通过较强的引力吸引其他物质进行汇合,形成了恒星以及星系等能够被观测到的天体。

我们能在宇宙中观测到什么

自138亿年前宇宙大爆炸发生以来,宇宙就没有停止过膨胀。但我们目前所能观测到的宇宙范围却十分渺小,以至于很多问题未能解决。

根据科学家的测量与计算,当今地球的可观测宇宙距离大约是140亿秒差距,也就是460亿光年。以这个距离为半径的话,可以得出目前的可观测宇宙的范围约为一个直径是930亿光年的球体。

可观测宇宙

可观测宇宙

截止到2011年,通过哈勃望远镜观测到的最遥远的天体是UDFj-39546284,其红移值大约为300亿光年。2016年8月,GN-z11的发现突破了可观测到的最远的天体纪录,其红移值也是已知天体中最高的。

经过对其红移数据的计算可得,这个星系的年龄大约为134亿年,也就是说宇宙大爆炸短短4亿年后这个信息就产生了。

GN-z11星系

GN-z11星系

但话说回来,宇宙的年龄为138亿年,但为什么目前仅仅是地球上的可观测宇宙就达到了460亿光年?难道说宇宙膨胀的速度超过了光速吗?

是的,宇宙的膨胀确实以超光速的速度进行着,并且科学家对la-超新星红移星等的测量显示,宇宙早在60多亿年前膨胀就开始加速了。

但能够支持宇宙以如此快的速度膨胀,必定有一种物质或者能量在支持,于是科学家们提出了“暗能量”这个概念,暗能量也是目前唯一能够解释宇宙加速膨胀的存在。

而推动宇宙膨胀的能量到现在仍是个谜,最初的宇宙由于引力的束缚导致膨胀的速度过于缓慢,但通过暗能量的不断增加,宇宙的膨胀开始加速,暗能量与暗物质也充斥宇宙的大部分空间。

暗能量

暗能量的密度为 × 10^27 kg/m3,比宇宙中其他物质的密度都要小,且均匀分布在宇宙的各个角落,支配着宇宙中的质能。

根据2008年WMAP所计算得出的数据显示,宇宙中的暗能量占比为72%,同时有23%的暗物质,的常规物质与不到1%的中微子,常规物质的密度随着宇宙的膨胀在不断降低,但是暗能量的密度却几乎保持不变。

目前对暗能量研究还不能描述其具体的物理性质,暗能量也只是一个象征性的存在。能够解释暗能量最为简洁的方式是爱因斯坦引力场方程中的宇宙常数项,但是它仅能表明暗能量的存在是一个常量,并不能解释其本质。

宇宙组成数据

2008年宇宙组成数据

宇宙以超光速的速度膨胀,这就导致了在地球可观测宇宙范围以外的一些天体可能在未来永远无法从地球观测到,因为这些天体的光不可能超过宇宙膨胀的速度到达地球。

不仅如此,许多理论上可以被观测到的星系会因为宇宙的膨胀而导致红移值的增加,导致其逐渐远离地球变为不可观测的天体。

之所以我们在地球上的可观测宇宙有限,其中一个原因也是科学技术的限制。目前世界上以测量天体的红移值来计算天体与地球的距离,其原理是通过测量天体所放出的电磁波的波长和频率,若天体远离地球电磁波会往红色的区域偏移,因此被称为红移。

但是对于宇宙微波背景辐射意外的天体的电磁波无法到达地球,这个方法也就失效了。

宇宙微波背景辐射

测量天体之间距离的方法

那有没有进一步观测更为遥远天体的方法呢?

当然有。我们可以利用宇宙中仅有的那不到1%的中微子,因为中微子是由天体内部的核反应产生的,中微子也带有这所属天体的信息,通过接收其他天体传到地球的中微子即可得到该提案的具体位置信息。

例如位于南极的“冰立方”中微子天文台就于2017年9月利用接收中微子的信息,探测到了来自37亿光年的猎户座耀变体TXS 0506+056的中微子,这也是人类第一次使用中微子探测器定位天体。

“冰立方”中微子天文台工作原理示意图

在我们能够观测到的宇宙之外存在什么世界,对此有着诸多的说法,其中最为广泛流传的说法是多重宇宙与平行宇宙的存在。

多重宇宙可以理解为在可观测宇宙之外存在着其他时空,这些时空可能由宇宙暴胀而来,也可能在我们所处的宇宙黑洞奇点内所无法理解。这些宇宙内的物质构成,物理规律以及其他各方面的因素可能都与我们所处的宇宙有异同之处。

平行宇宙的存在与多重宇宙略有不同,平行宇宙的解释往往需要涉及量子力学。其大概的理解为,多个平行宇宙共用一个时间变数,每个宇宙都有着相同的起源,也就是说诞生于同一个宇宙大爆炸。

平行宇宙

平行宇宙构想

但这些宇宙之间不会进行任何信息交流,彼此没有任何联系,物理规律以及物质构成也不能确定,平行宇宙的关系也由彼此之间的叠加态决定。

宇宙的未来

关于宇宙的未来,科学家们也做了不少相关的研究。在暗能量被发现之前,对宇宙的未来存在两种预测:

首先当宇宙的能量密度突破临界密度时宇宙会停止膨胀,进而向内坍缩,整个坍缩的过程伴随着升温和压强增大,密度增大等现象。

坍缩过程结束后,宇宙会回到大爆炸开始时近似的状态,这个状态被称为大挤压,同时有可能再次引发大爆炸。

熵增是物质由有序变为无序的过程,这个过程存在于宇宙所有事物的物理规律中。宇宙的另一个结局的预测也与熵增有关。

熵增

熵增过程

根据科学家推测,宇宙中的熵增会持续增大,一直到宇宙的能量密度等于或小于临界密度,膨胀就会减速进行,但不会停止。

恒星演化为白矮星、中子星、黑洞,这些天体也会在引力的相互作用下结合成为更大的黑洞。

质子衰变如果也成立的话,那么重子物质也会全部消失,最终导致宇宙中只剩黑洞与辐射,而霍金辐射的存在使得黑洞会因自身所散发出来的辐射失去质量,导致黑洞的消失。同时由于熵增需要吸热,宇宙中的温度会降到绝对零度,宇宙最终会达到热寂状态。

质子衰变

结语:

宇宙自诞生以来的种种谜团一直是科研人员所探究的目标,宇宙究竟从何而来?它是以什么形式存在的?宇宙是什么形状?它是否是一个闭合的空间?宇宙的未来会是高温坍缩还是会膨胀至热寂状态?

这种种问题依照目前的科学知识与技术手段仍得不到解决,人类连可观测宇宙外的世界是什么样的,有什么都无从得知。

宇宙膨胀模型

宇宙膨胀模型

宇宙的命运也与人类的命运息息相关,但人类也是会进步的,从相对论的提出到宇宙微波背景辐射再到大爆炸模型的建立,人类对宇宙的认知也在一步步的深入。

宇宙从诞生以来究竟经历过哪些变化,以及宇宙的未来到底回忆什么形式结束,相信人类总会得出一个合理的结论。

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