為什麼可觀測宇宙之外無法觀測?可觀測宇宙之外是什麼?

之所以會有“可觀測宇宙”的概念,很大程度上,是因為以地球為參考系,宇宙的膨脹速度可以超越光速,而宇宙是有一個起點的,宇宙至今是138億歲,因此我們能看到的範圍就要遠小於宇宙本身的大小。因此,可觀測宇宙之外還是宇宙。

為什麼可觀測宇宙之外無法觀測?可觀測宇宙之外是什麼?

那具體是咋回事呢?今天,我們就來聊一聊這個話題。

宇宙大爆炸

在20世紀之前,當時的科學家對於宇宙的主要觀點就是:在大尺度上,宇宙不會隨着時間流逝而發生改變。也就是説,宇宙自始至終就是一個樣子,也就是我們常説的永恆。到了1915年,愛因斯坦推發表了著名的廣義相對論。

為什麼可觀測宇宙之外無法觀測?可觀測宇宙之外是什麼?

在廣義相對論中,愛因斯坦推導出了一個著名的廣義相對論引力場方程。但是,他就發現,這個方程預言了宇宙隨着時間的流逝而膨脹,但是愛因斯坦的觀念並允許宇宙是這樣的,於是,他在廣義相對論的引力場方程中加了一個宇宙學常數,這樣就可以抵消掉這部分膨脹效應。

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結果呢?才沒過多久,愛因斯坦被天文學家哈勃用觀測進行實力打臉。哈勃長年觀測銀河系外的星系,他就發現一個有趣的現象,那就是大多數的星系都在發生紅移。這代表了什麼呢?

實際上,紅移説明這些星系都在遠離我們,而且進一步分析發現,它們的遠離是因為宇宙在膨脹,而不是星系自身在動。

為什麼可觀測宇宙之外無法觀測?可觀測宇宙之外是什麼?

哈勃的觀測結果直接指向了一個“膨脹”的宇宙。而也有很多科學家提出了和愛因斯坦完全不同的宇宙學觀念,這其實也就是宇宙大爆炸的前身。他們認為宇宙有個炙熱的奇點,誕生於一次大爆炸。

為什麼可觀測宇宙之外無法觀測?可觀測宇宙之外是什麼?

大爆炸之後,宇宙就開始劇烈的膨脹,宇宙空間在短時間內膨脹到了一個特別大的尺寸,而之後,由於引力佔據了主導,開始減速膨脹。

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這裏要説明一下,宇宙的膨脹是一個整體性的膨脹,而不僅僅是邊緣在向外擴展。於是,科學家通過理論計算,就可以得到宇宙的年齡,根據最新的普朗克衞星的觀測結果,宇宙的年齡大概在138億歲左右。那和可觀測宇宙有什麼關係呢?

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可觀測宇宙是咋來的?

實際上,我們要思考一個問題,那就是我們是如何觀測。這麼説吧,人類大多數時候都是利用電磁相互作用來觀測。啥意思呢?

比如,你能看到東西,主要原因就是物體要麼自己發光,要麼反光,光線進入到你的眼睛裏,你才會看到它。

為什麼可觀測宇宙之外無法觀測?可觀測宇宙之外是什麼?

而我們要知道的是,光速是固定的,也就是3*10^8m/s。這就意味着,即使你能夠看到的,也只是看到物體過去的影響,因為光從物體表面發出或者反射,到最終進入你的眼睛是需要時間的。因此,我們看到的其實都是過去。

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而宇宙大爆炸是發生在138億年前的,因此,我們理論上最多能看到半徑138億年的宇宙空間,但我們要知道是可觀測宇宙的半徑卻是465億光年。那為什麼會如此大的差異?

其實之前的“138億光年”沒有考慮宇宙在膨脹,如果我們把宇宙膨脹也考慮進去,就可以得出這個結論。

為什麼可觀測宇宙之外無法觀測?可觀測宇宙之外是什麼?

但我們要知道的是,宇宙大爆炸後38萬年,宇宙温度下降到3000度左右,宇宙的原子結構逐漸形成,光才開始在宇宙中傳播的,之前宇宙是一鍋滾燙的粒子粥。因此,我們理論上看到的歷史最遙遠的影響其實是宇宙大爆炸之後38萬年後發出來的光,這也被我們稱為宇宙微波背景輻射。

為什麼可觀測宇宙之外無法觀測?可觀測宇宙之外是什麼?

如果把宇宙膨脹的因素考慮進去,就可以得到461億光年的範圍。那你可能要問了,不是説好的465億光年嗎?這咋還相差了4億光年?

這裏其實還有一個非常重要的問題需要考慮進去,之前説到的其實是利用電磁相互作用來觀測,可現在的我們不僅僅可以利用電磁相互作用了,我們還可以依靠引力波。實際上引力波不僅僅是出現在兩個大質量天體的合併,宇宙誕生時也會產生引力波,被我們稱為原初引力波

為什麼可觀測宇宙之外無法觀測?可觀測宇宙之外是什麼?

引力波從宇宙誕生時就產生了,因此,利用引力波理論上可以觀測宇宙誕生時的情況,所以,那段利用電磁相互作用無法觀測的38萬年,可以利用引力波進行觀測。但我們同樣需要考慮到宇宙膨脹的情況,加上宇宙膨脹效應,我們就得到4億光年,加上之前的461億光年,也就是465億光年。這其實也就是可觀測宇宙半徑的由來。

可觀測宇宙之外為何無法觀測?

而可觀測宇宙之外的宇宙,按照目前的物理學理論,我們沒有任何辦法利用任何的辦法對其進行觀測。這個限定首先來自於宇宙的年齡,其次就來自於觀測手段。當然,你可能會説難道不能利用蟲洞嗎?

為什麼可觀測宇宙之外無法觀測?可觀測宇宙之外是什麼?

實際上,蟲洞確實可以實現超光速的行為。但問題是,蟲洞至今還只是一個理論,並沒有實際觀測到任何一個“蟲洞”的存在。因此,蟲洞的存在都受到質疑,我們又如何利用蟲洞呢?

所以,在現有的理論框架下,我們無法觀測可觀測宇宙之外的宇宙。

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