宇宙有边界么？宇宙边界之外又是什么？

站长网2023-05-25 07:42:270阅

上一期，我们聊过了宇宙大爆炸模型是如何来的，想了解的可以戳下面的连接：

寻找宇宙的起源

其实在天文学方面，普通人问到最多的问题，除了宇宙是咋来的，还会问：

宇宙有没有尽头，

尽头之外又是什么？

今天，我们就来聊一聊这个话题。

1823年，德国天文学家奥伯斯在研究“宇宙是不是无限大”的问题，他提出了，

如果宇宙是无限大的，其中均匀分布着发光天体，由于光度与距离的平方成反比，在一定距离上，球壳内的发光体数目和距离的平方成正比，那黑夜的天空应当有无限个亮点，天空应该是全亮的。

但是实际上，我们知道地球上看，天空中大部分还都是黑的。这个探究似乎告诉我们，宇宙是有限大的，天体是有限多的。

当然，奥伯斯那个时候并不知道光速是恒定的，宇宙是有年龄的等等。不过这也算是我们人类对于宇宙边界的一次很深刻的探讨。

随着科学理论和观测设备水平的提高，我们知道真空的光速是恒定的，宇宙诞生于138.2亿年前，宇宙还是膨胀的，很多光其实还来不及到达地球。所以，关于宇宙是不是有边界这个问题，我们似乎又回到了原点。

1995年，美国太空望远镜科学研究所所长罗伯特·威廉姆斯，动用了他的特权，连续证用哈勃望远镜十天，要知道使用这个望远镜是需要排队的，属于稀缺资源。当时许多业内人士都惊呆了。但是更让他们想不到的是：罗伯特·威廉姆斯要观测区域时宇宙最黑暗最空旷的天区。

也就是下图中黄色框标注出来的区域，它只有整个天区的2400万分之一，约等于月亮宽度的12分之一。

在为期10天的观测里，哈勃望远镜一共环绕地球约150次，拍下342张图像。在不同波长进行曝光，总曝光时间超过了100小时，最后得到了下面这么一张图片。

本来等着看笑话的天文学家看到这张照片时，又再一次被惊呆了，在这张图中每个点都是一个星系，仅仅在小小照片里就捕捉到将近3000个星系。

这张图让我们明白一道理，如果在地球上向宇宙各个方向看过去，都是一样的。看起好像地球就是宇宙的中心一样。难道是“地心说”要复活了？

可实际上，这是因为地球所在的宇宙特别特别大，远远大于我们能观测范围。所以，我们才会有这样的错觉。这也解决了奥伯斯的困惑，宇宙的大小远超我们的想象。

同时也让我们明白，关于宇宙到底是不是有限大的，单纯用观测是不可能搞定的。我们只能用其他的办法。上一期，我聊到了爱因斯坦的场方程因为太复杂。（看不懂也没关系，并不会影响到什么，直接跳过就行。）

为了求解。有两位科学家对它进行了简化，他们假设：空间是各向同性得流体，后来又有两位科学家给出了证明，并且哈勃的观测是和这个假设十分吻合的。所以，我们这个简化称为：FLRW度规。

（下面要来公式了，相信我，看不懂也没关系，直接跳过都没有问题。）

通过一同推导和假设，最后我们会得到下面这样的一个式子，

这个式子有啥用呢？其实它描述了宇宙的形状。如果这个式子里的

K>1，宇宙就是封闭的；

K<1，宇宙就诗马鞍形的；

K=1，宇宙就是平坦的。

那有啥差别呢？

K>1时，宇宙和地球很像，你从一个点出发，朝着一个方向一直运动，如果命够长，速度够快的话，你最终会回到原点。那宇宙有边界么？其实是有界，但没有边的。所有，在这个情况里，宇宙是有限大的。K＜1时，我们是找不到宇宙的边界在哪里的，所以宇宙就是无限大的。K=1时，宇宙就是平坦的，这个情况上K＜1是一样的，宇宙是无限大的。

也就是说，从这时候开始，宇宙边界的问题被转化成了宇宙的形状问题，我们只要知道宇宙的形状也就能够宇宙是不是有边界了。

那如何验证呢？其实我们这里的图都是做了降维的简化，把一个三维问题简化成了二维的问题。那在二维平面里，我们初中就学过了，平面三角形的内角合是180°；

而实际上，在球面上如果画一个三角形，这个三角形的内角合是大于180°的；

而在马鞍形上画一个三角形，这个三角形的内角合其实是小于180°的。

所以，如果可以在宇宙的空间当中验证一下三角形的内角合就可以知道宇宙到底是什么形状的。但总不能我们拿一个大尺子去宇宙里面量，毕竟我们也找不到测地线在哪。

不过根据相对论，我们知道，天体之间的引力本质是时空的扭曲，

而地球绕着太阳在做运动实际上是因为太阳的质量扭曲了时空，地球沿着测地线在运动。

我们从中这其实应该能够明白一个道理，宇宙中的物质其实是沿着测地线在运动的，比如：光。

上一期，我们也聊过，从超大的尺度上看，宇宙是均匀的，各向同性的。也就是说，从大尺度上看，宇宙处处都一样。所以，如果我们想要知道宇宙的形状，直接用光就可以。

具体来说，我们有个神器：宇宙微波背景辐射。这玩意是宇宙大爆炸的“余热”，它广泛分布在宇宙当中，它其实就是光，只是我们的肉眼看不到对它而已。

通过这张图以及膨胀的速度，科学家可以计算出背景辐射的距离，一个横跨可观测宇宙的三角形就可以画出来。根据三角形的内角合的大小，我们也就可以知道宇宙具体是什么形状的。

根据目前的观测结果，在误差可接受的范围内，宇宙很可能在大尺度上是平坦的。