五位學者小議:宇宙是否有盡頭?_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴(ID:fanpu2019),阅读更多!2021-08-28 17:43
“宇宙是否有盡頭,時間是否有長短……”,來自影視台詞中的問題正是目前科學家所困惑的。宇宙是無限的嗎?我們現在依然無法給出確切的答案。一些物理學家提出了宇宙的幾何形狀是閉合的甜甜圈,以此認為宇宙是有限的。而另一些學者相信快速暴漲的概念,我們只能在可觀測宇宙中瞭解物質與存在的概念。本文五位學者,包括天文學家、科學哲學家、科學史家對宇宙是否是無限的給出了自己想法。
撰文丨Noor Gillani
編譯丨田芳
我們已經知道宇宙在膨脹,但是近些年來研究發現膨脹的速度遠超過我們的預期。
儘管望遠鏡和衞星技術有了很大的突破,但是人們認為宇宙中仍有很多事物遠在我們的視線之外,超出了所謂的可觀測宇宙(observable universe)。
這也意味着我們還不確定整個宇宙的形狀——究竟它是一個閉合的宇宙“甜甜圈(doughnut)”,還是像一張無窮大的紙一樣延伸的平面,或者是一個不斷膨脹的巨大球體?
宇宙學家經常提到沒有邊緣和頂點的甜甜圈——類環結構。環狀是很重要的數學結構。
科學家想要了解空間的盡頭以及那裏可能的樣子。他們是如何看待宇宙的命運,它會永遠膨脹嗎?我們採訪了五位科學家,似乎還沒有確定的的結論。
以下是他們回答。
Anna Moore(澳大利亞國立大學空間研究所教授,天文學家):可能
簡而言之是,“我們不知道宇宙是否有限”。我們知道可觀測宇宙——我們可以明顯看見和測量的部分——起源於138億年前的大爆炸。所以我們知道宇宙的年齡是有限的,至少可以從大爆炸時期算起。但是宇宙現在變得越來越大。從大爆炸時期以來,它就開始從各個方向膨脹,現在仍在繼續(近來膨脹的速度越來越快)。
大爆炸的殘餘輻射,被稱作“宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background)”,代表了更小、更熾熱、更緻密的宇宙的最早期圖像。我們可以從早期的圖像來理解最大尺度的宇宙的形狀(或者幾何形狀)。知道這點對於我們瞭解宇宙是無限的還是有限的非常重要。
衞星的探測結果表明,宇宙具有平坦的幾何形狀。在平坦的宇宙中,兩束並排射入空間的光束將永遠保持平行,不會相交也不會遠離。這樣來看,我們仍然可以將圓筒或者圓環(甜甜圈)形狀的宇宙視為“平坦的”。
目前的探測技術還不夠精確,無法讓我們知道宇宙的平面幾何結構是否可以由一張紙、一個圓筒、環面還是任何其他允許兩束光平行通過的結構來表示。一個無限的宇宙可能是像一張紙一樣的平坦幾何形狀,將永遠延伸下去幷包含一切的可能性,比如我們自己的無窮版本。另一方面來講,一個甜甜圈形狀的宇宙將必須是有限的,因為它是閉合的。但是目前為止,我們仍然不知道宇宙的形狀,也不知道它的大小。
Sara Webb (斯威本科技大學天體物理學博士生):是的
我相信宇宙是無限的。我們知道宇宙起源於大爆炸。從觀測來看,我們還不知道在哪裏起源,但大爆炸發生了。不論你在宇宙的哪裏(在銀河系或者很遙遠的地方),宇宙以你為中心向各個方膨脹。現在我們計算出宇宙有大約138億年的歷史了,意味着已經膨脹了很多。所以從邏輯上來講,我們可以估計宇宙的半徑為138億光年,對嗎?
但是可觀測宇宙的半徑事實上有460億光年,這意味着我們可以看到的第一束光(大爆炸後38萬年)來自460億光年之外的距離。這是由於所謂的“快速暴漲(rapid inflation)”。然而,我們沒有理由認為可觀測宇宙的邊緣就是實際宇宙的邊緣。
我們傾向於事物具有三維形狀,如球體、立方體或者錐體等。我們可以把宇宙想象成一個無限膨脹的球體。或者它可能以一種使自己成為閉合系統(甜甜圈)的方式彎曲,在這個系統裏你可以沿着直線航行足夠遠,而最終會返回到你出發的地方——宇宙是有限的。
但是我傾向於另外一種可能性,即大爆炸之後的暴漲。有一個理論認為,暴漲實際上是永恆的暴漲,這意味着它總是發生在這裏或者那裏,使得宇宙是無限的。這就要深入研究量子漲落甚至多重宇宙那樣難以想象的理論。作為科幻愛好者,我怎麼可能不希望它是真的呢?
Tanya Hill (墨爾本大學名譽研究員,維多利亞博物館高級策展人,天文學家):是的
我們能看到的宇宙是有限的。可觀測宇宙是有限的,它不會永遠存在。它在我們周圍延伸至460億光年(雖然我們的宇宙有138億年的歷史,隨着宇宙正在膨脹,可觀測宇宙的範圍更廣)。
可觀測宇宙是以我們為中心的。遙遠星系中的外星人也可以擁有以它們自己為中心的可觀測宇宙。雖然這些不同中心的可觀測宇宙可能會有一些重疊,但是也不可避免地會存在一些我們所看不到的區域。因此,我們不可能説宇宙是否有限,因為我們不能完整地看到它。相反,我們通過探索宇宙的形狀來解決這個問題。儘管我們不知道整個宇宙的形狀,但是我們知道以我們為中心的宇宙部分是平坦的。這意味着在巡航控制下平行飛行的兩枚火箭將始終保持平行。因為空間不會彎曲,火箭也永遠不會相遇或者遠離彼此。
一個平坦的宇宙可能是無限的,比如一張永遠延伸的二維紙張。但它也有可能是有限的,比如用一張紙做成一個圓柱體,並將兩端連接起來形成一個甜甜圈。這就是問題所在。
此外,宇宙可能有很多種彎曲的方式,但是我們生活在一個平坦的區域。這是一種非常特別的情況,我們用“暴漲”理論來解釋。暴漲就是宇宙在很早期的時候在短時間內迅速膨脹,解釋了我們空間中所有的扭結(kinks)和曲率(curvature)。暴漲階段之後,宇宙變成了我們今天看到的樣子。但是暴漲可能不止對我們的宇宙有影響,也許它也發生在別的地方,而且正在發生。這會使得整個宇宙有多大,甚至是多重宇宙有多大?在我看來,它開闢了某種可能性,無限的宇宙比有限的宇宙更容易被想象。
Sam Baron (澳大利亞天主教大學副教授,科學哲學家 ):不是
有一個約定俗成的觀點就是假設空間是無限的,但是我認為這是錯誤的。它大概這樣表述:如果宇宙是有限的,那麼它一定會有邊界。但是想象一下,你駕駛宇宙飛船飛向遙遠的宇宙深處,結果你發現了宇宙的邊界,那簡直是不可思議的——邊界會是什麼樣子?因此,宇宙必須永遠延伸下去。
但是還存在別的方式可以讓空間是有限的。它可能是一個環面,空間上有限但是沒有邊界,就像一個宇宙甜甜圈。如果宇宙是甜甜圈形狀的,那麼要有一個非常科學的測試來檢驗宇宙是否是有限的。
假設你將一束光瞄準非常遠的反射面。如果反射面的表面不平整,這束光將會被反射到多個方向。如果宇宙是甜甜圈形狀的,反射光線將會隨着宇宙的形狀逐漸彎曲,最終會繞回來並相交(如下圖所示)。這種情況只發生在宇宙有限的條件下。在無限的宇宙中,光線將會無限傳播下去。
現在假設你站在光線相交的地方。你轉身看去,看到了那個反射光線的物體;如果你轉向另一側,你還是看到了同一個物體,此時光線來自不同的角度。如果反射物是一顆遙遠的行星,你因此可以看到同一顆行星兩次。科學家們已經開始在大爆炸留下的昏暗光芒中尋找這種鏡廳效應(hall of mirros effect)。它或許可以證明宇宙的大小和形狀。雖然還沒有發現任何確鑿的結論,但是人類不斷探索,誰知道又我們可以揭示什麼呢?
一個檢驗空間是否有限的測試:如果我們從一個物體反射光,兩次看到反射物;那麼我們生活的空間可能是有限的和彎曲的!
Kevin Orrman-Rossiter (墨爾本大學科學史與科學哲學博士研究生):不是
説到“無限”,我們通常指的是無邊界或者無窮盡的事物。我的觀點是宇宙是有限的。為了論證這一點,要先暫時假設宇宙是無限的。一個很簡單的例子,我乘坐宇宙飛船向任意方向出發,永遠不會到達邊界。但是這個實驗就存在一個問題:我可能需要飛行無限長的時間來確保“再遠一點”就沒有邊界了,而以什麼樣的速度行駛並不重要。為了證明空宇宙是無限的假設,我的航程需要是無限的。顯然,目前沒有多少機構來會來資助這樣的實驗。
這表明,為了論證宇宙是無限的,我們必須通過觀測而不是直接的實驗。在上個世紀,我們通過觀測對宇宙有了很多的瞭解。我們知道,宇宙起源於大概138億年前。從觀測中,我們也知道宇宙正在膨脹。我們已經探測到了微波背景輻射——被認為是大爆炸時期的殘餘輻射。我們今天看到的宇宙是一個緩慢膨脹的星系網。
宇宙學中的一個關鍵問題就是這種膨脹是否會繼續,是否會改變速度,是否可以逆轉。回答這個問題就需要對暗物質和暗能量的性質進行了解。
有趣的一點是,不論宇宙的模型如何(這裏仍然有非常重要的缺失),目前的宇宙學思想就是,宇宙會有一個終結,它不會永遠存在。宇宙在時間上的存在是有限的,由此回到我的論點,我建議在某個階段結束我們的宇宙航行。
參考資料
1. https://www.space.com/33892-cosmic-microwave-background.html
2. https://www.quantamagazine.org/what-shape-is-the-universe-closed-or-flat-20191104
3. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/10/14/ask-ethan-is-the-universe-finite-or-infinite/?sh=7429ea2d4967
4. https://www.space.com/31465-is-our-universe-just-one-of-many-in-a-multiverse.html
5. https://www.nature.com/articles/news.2008.854
6. https://www.newscientist.com/article/dn4250-tantalising-evidence-hints-universe-is-finite/
7. https://press.princeton.edu/books/hardcover/9780691196022/cosmologys-century
原文鏈接:https://theconversation.com/more-than-70-of-the-universe-is-made-of-dark-energy-the-mysterious-stuff-even-stranger-than-dark-matter-131569