宇宙外是什么？
虽然是个脑洞问题，同时也是科学问题，宇宙外是什么？首先得界定内外，也就是宇宙的边界。 但是，宇宙有边界吗 先上干货， 最近学习高爽的天文学谈到这个问题，分享下 空间维度上，有一个最重要的问题是绝对绕不过去的，宇宙空间到底有多大？ 我相信你问任何一个天文学家，他都会这么回答。因为没有任何一个观测证据，帮我们识别出这就是宇宙的边界，也没有任何一个模型可以帮我们划定一个范围，告诉我们这就是宇宙的边界。 所以，面对这个问题，没有一个天文学家可以给你一个明确的答案。其实像“宇宙有多大”这样无法回答的问题在天文学里到处都是。如果宇宙是一套考试题的话，那这套考卷里到处都是非常难的难题。 为什么这个问题是无解的呢？ 一，宇宙真的很大； 二，我们的观测有限，这个有限不是一时一刻的，而是永远的。 什么意思呢？我们一个一个地来讲。 首先，宇宙真的很大。我们现在能看到的最远的天体，大概在距离我们300亿光年的地方。不过给出这样一个数字，只能让我们知道宇宙大小的下限是300亿光年，对于宇宙大小的上限是多少没有太大帮助。 让我们意识到宇宙非常非常大的，其实是另一件事。不论我们朝向宇宙中的哪个方向去看，物质总量都差不多。天文学里把这种情况叫做“各向同性”，各个方向相同的意思。 即便是朝着夜空中最暗的地方去看，也是如此。2003年哈勃望远镜就曾经朝着天空中最暗的区域持续曝光了113天，拍下了原来看不到的景象。在非常小的区域内，相当于100米外一个乒乓球的大小。就在这么小的区域内，一共拍下来了上万个星系。我在文稿中提供了这个图片，其中的每个亮点都是像银河系一样的星系。 哈勃超深空场照片 从地球看向四面八方，全部都一样，这意味着什么？意味着我们就是宇宙的中心啊。你想，一只蚂蚁，只有站在盘子的正中央时，它看向四面八方才能看到一样的景色。 但是，这和我们天文学的第一性原理冲突。宇宙学原理的本质就是说，我们不特殊，我们不是太阳系的中心，更不可能是宇宙的中心。所以，只有一种可能，宇宙这个盘子特别特别地巨大，远远地大于我们的观测范围，所以即便是在盘子的角落里，看向四面八方也都是一样的。 这是第一个问题，还有第二个问题。 我们观测的范围能有多大呢？是前面说的300亿光年吗？不是，那是看到的最远天体。如果排除天体这个限定的话，观察范围还要更远一些，是461亿光年。因为在这个距离上，我们接收到了宇宙爆炸的余晖，那就是宇宙微波背景辐射 ，宇宙诞生后第一次释放出的光。 这是我们能够看到的最遥远的光。这不是我们的能力不行，也不是望远镜不够发达，而是更远的光还没有传到地球。 其实，准确地说，宇宙微波背景辐射不是大爆炸发出的光，而是大爆炸后38万年才发出的光，之前的宇宙是不透明的。 所以，461亿光年，既是我们实际看到的最远的地方，也是理论上我们能够看到的最远的地方。这已经是我们看到的极限了，所以可以确定宇宙有多大这个问题无解。 其实，看到的最远范围并不是理论上能观测的最远范围，观测不一定非要用光对吧。宇宙大爆炸的头38万年虽然不透明，之前的光跑不了多久就被散射和吸收掉了，所以我们不可能看到。但是还有引力波啊。虽然我们现在还没有能力探测到这部分引力波，但是理论上可行。所以把这部分也考虑进来的话，最远可以观测的范围就是465亿光年了，多了4亿光年。 这么有意义的一个范围，我们当然会起一个特别的名字来记忆了。这个范围内的宇宙，我们叫做“可观测宇宙”，代表着我们可以观测的极限范围。465亿光年，请记住这个范围。 看似问题已经解决了，宇宙有多大这个问题不可解。如果真的在考试的话，这类不可解的问题放弃就可以了。但是对于天文学，我们还要去考虑，这个不可解的情况是暂时的，还是永远无解的。 首先可以肯定，突破可观测宇宙不是靠科技发展就能解决的，因为这不是我们人类的能力问题，而是宇宙本身的特征。 但是宇宙是在变化的，未来有没有什么可能，因为宇宙自身的变化而给这个问题带来转机呢？不是没有可能。 宇宙最大的变化是什么？是宇宙在膨胀。但是这又代表什么呢？ 我举个例子，宇宙微波背景辐射是宇宙诞生38万年的时候发出的，当我们接收到的时候，当初发出光的地方已经距离我们461亿光年了。 这不是说，这道光就是从461亿光年的地方发出来的，宇宙在膨胀最初发出光的位置距离我们要近得多。在宇宙微波背景辐射上取一点，就叫做A点吧。如果把时间拨回到宇宙诞生之后它刚从光源发出来的时刻，那个时候的A点距离地球其实只有4200万光年。当然那时候还没有地球，只是说地球这个位置。 当发出光后，光向着地球方向传递，同时因为宇宙膨胀，A点会继续远离地球。就这样，等光到了地球，A点已经跑到461亿光年的位置了。 这说明啥，有两点： 第一点，宇宙大爆炸之后的38万年，宇宙半径已经大于4200万光年了，要不然我们接收到的宇宙微波背景辐射不应该是各向同性的。道理和前面讲的蚂蚁看盘子一样。 另一点，可观测宇宙是会随时间变化的。38万年那时候，我们的可观测宇宙应该只有地球位置的那一个点。因为根本没有时间让光传递。随着时间越久，光能到达的地方就会越远，于是可观测宇宙就像是一个逐渐被吹大的泡泡，越来越大。 如果不是宇宙膨胀的话，到现在泡泡能吹大到半径138亿光年，但是如果把宇宙膨胀也考虑进来，那这个泡泡的半径就是461亿光年了。 这就带来希望了，可观测宇宙既然可以扩大，那么能无限扩大吗？如果能的话，只要等足够的时间，我们还是有机会发现宇宙边界的。 不过，很可惜，这个情况天文学家早就考虑过了。答案是不可能。为什么呢？这就要介绍一个概念了，退行速度。 天文学里，把一个天体因为宇宙膨胀而远离我们的速度叫做退行速度。当然这里必须强调一点，退行速度不是天体的运动速度，而是宇宙空间的变化，是允许超过光速的。退行速度不只和宇宙膨胀速率有关，同时也和距离有关。同样的宇宙膨胀速率，距离我们越远的地方，退行速度会越快。 宇宙就是用退行速度为我们设置了第二道封锁。因为退行速度可以超过光速。 如果一个星球，距离我们非常非常远，远到了它的退行速度比光速还要快。那它传出的任何信息，不论再等多久的时间，都没有办法传到地球。而退行速度超过光速的那个边界，叫做“表观视界”，这就是未来最远可以看到的界面。 620亿光年，根据我们现在的计算，超过这个距离，退行速度将会超过光速。也就是说，如果宇宙继续按照我们预期的样子膨胀的话，这个范围就是我们能够看到的最远的极限，不论是现在还是未来。如果真实的宇宙大于这个范围，那我们将会永远都无法知道宇宙的大小。 所以，宇宙到底有多大？这个问题我们真的不知道，甚至永远都无法知道。但是天文学还是可以给出一个答案的，那就是这个问题的边界在哪里。 这就相当于，父母去看自己的孩子，肯定不知道孩子长大了会变成什么样。如果问题只是停留在这个程度的话，带给家长的只会是无穷无尽的焦虑。但是我们还能知道这个问题的边界在哪里，孩子的成长无非是受基因、环境和随机性遭遇这三重因素的影响，对于家长来说根据这些信息就能知道自己的孩子最好能好到什么程度，最差不会超过什么程度。这也算是没有答案的答案，不只解决了焦虑问题，还可以指导家长为孩子付出多少。 所以，知道问题的边界，也是一种答案。