宇宙到底是怎樣膨脹的（宇宙一直在膨脹）

2023-05-31 02:00:26 1

隨便翻開一本現代天文書刊都會告訴我們，宇宙誕生於一個奇點在138.2億年前的爆炸，一直到現在宇宙已經達到了930億光年的可觀測宇宙，但它仍然在高速膨脹中，如果有人問宇宙外面是什麼呢？答案是外面不存在時間與空間，什麼都沒有！

但問題是既然宇宙還能膨脹，這表示外面一定還有空間，宇宙的外面到底是什麼呢？

我們能接觸到的天文名詞中，可觀測宇宙出現頻率很高，到底什麼是可觀測宇宙呢？這得從宇宙大爆炸說起，按慣例我們得交代下大爆炸的由來！

自大神愛因斯坦推出廣義相對論後的2017年就已經發展出了廣相宇宙學，因為很多科學家都從廣義相對論推導出了宇宙是一個動態的過程，而勒梅特則更進一步提出了原生原子假說，其實這就是宇宙的大爆炸說的前身，剛好哈勃觀測到越遠的宇宙以更快的速度離去，因此宇宙膨脹就來自於此！

後來伽莫夫的太初合成理論被後期發展的射電望遠鏡觀測物質分布所證實，拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼預言宇宙微波背景輻射則被阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在1964年觀測證明，因此大爆炸說開始佔領科學界！當然還有1998年發現Ia超新星觀測發現宇宙正在加速膨脹，則更在與宇宙膨脹的道路上走得更遠了！

宇宙大爆炸的幾個過程

有了觀測的鋪墊，科學家推測大爆炸在138.2億年前開始，大爆炸的過程下面簡單敘述下：

宇宙大爆炸後都是一鍋能量，當時間到達10^-6S時宇宙中才出現電子、夸克和光子，之後夸克在強力作用下形成了中子和質子等重子！此後則是隨著溫度繼續降低，質子與質子以及中子結合，形成獨立質子的氫和氦以及微量鋰原子核！

但此時宇宙溫度還極高，光子還被束縛在在裡面，一直要到38萬年年後！此時隨著宇宙的膨脹，溫度降到足夠低，光子才可以被解放出來，得以在宇宙中亂竄，而繼續降低的溫度也讓電子被原子核捕獲，物質正式形成。

之後就是宇宙的黑暗時代，宇宙繼續膨脹，物質則在引力的作用下逐漸形成恆星，大量的恆星在原初黑洞的引力作用下形成星系，最後的宇宙就是我們現在看到的這個樣子！

可觀測宇宙的由來

宇宙的誕生和可觀測宇宙密切相關，因為每一個時刻都代表著人類可以實現的可觀測極限，比如我們現在能在可見光波段觀測到的最遠天體大約是134億光年外的GN-Z11，這個星系實在是太遙遠了，根據宇宙膨脹，它大約在300億光年外！

如果除開可見光限制變成全波段電磁輻射段觀測，那麼就是宇宙大爆炸38萬年後跑出的第一批光子，由於距離遙遠，宇宙膨脹太快，已經紅移到到了電磁波段，這就是阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在1964年發現的宇宙微波背景輻射，這在哪裡呢？461億光年外（請注意這是半徑）！

人類可觀測極限

微波背景輻射外，電磁波已經無能為力，但還有一個觀測手段，中微子！因為中微子是在宇宙大爆炸後1秒鐘時退耦的，如果我們能捕捉到當時的中微子，那麼它將攜帶大爆炸1S時的信息！最後的觀測手段是引力波，它在宇宙大爆炸第一個普朗克時間後就誕生了，所以從理論上來看，只要接收到當時的引力波，那麼宇宙從誕生以來的一切，我們都能了解！

從微波背景輻射（可見光觀測宇宙）到引力波（可觀測宇宙）大約只有4億光年，科學家也在建設更強大的中微子和引力波探測器，但當前正在或者未來規劃建設的探測器還遠遠沒有到達大爆炸時代，也許我們對可觀測宇宙做一個了斷還需要很久遠的時間！

從大爆炸理論來看，宇宙沒有外面！因為整個宇宙都是大爆炸產生的，時空和物質都在宇宙內，之外則是混沌，所以沒有外面！但科學家還是不信邪，因此才有了測量宇宙大小的計劃，從所有的數據來看，宇宙是平坦的無限大，並沒有像我們認為的那樣是一個超級膨脹的球體！

斯隆數字巡天和普朗克衛星觀測結果顯示，宇宙有可能在我們看起來平坦的情況下彎曲和閉合，因為它實在太大了，我們僅僅觀測930億光年根本就看不出宇宙到底是閉合的還是開放的！重子聲學振蕩提供了一種不同的方法告訴我們，宇宙可能大到23萬億光年，這比目前人類認為的可觀測宇宙要大1500萬倍！

宇宙還真可能有外面，那麼斯隆數字巡天計劃能告訴我們外面是什麼嗎？科學家懷疑，除了我們看到的自己的宇宙外，還有和多個宇宙和我們的宇宙一樣，有著相同的物理規律，同樣的物理結構和形成複雜生命的可能！在這些宇宙之間的存在著指數級的時空泡沫！

這個多元宇宙可能真的無限大，至少在我們現在看來它還沒有明確的邊緣。

1998年物理學家根據Ia型超新星觀測的結果，發現宇宙大約在60億年前就開始了加速膨脹，因此科學家提出了暗能量來解釋這個過程，這讓當年支持宇宙緩慢膨脹甚至大坍縮的科學家措手不及，這表示宇宙未來可能在暗能量的主導下，一直到最後一顆原子都被撕裂！

宇宙的三種典型結局

實在太可怕了，在這樣的背景下，再不濟也是熱寂，不可能回到大坍縮的這個可能了，因為大坍縮背後會矗立著一個循環宇宙的概念，也就是大坍縮後又會發生大爆炸，重新誕生一個宇宙！所以我們現在所在的宇宙可能是一次性的！

那麼怎麼樣是熱寂呢？

宇宙的熵會隨著時間的流異而增加，由有序向無序，當宇宙的熵達到最大值時，宇宙中的其他有效能量已經全數轉化為熱能，所有物質溫度達到熱平衡。這種狀態稱為熱寂，那麼在宇宙中是如何表現的呢？

所有星系的恆星產出逐漸停止，最後的紅矮星燃料也漸漸耗盡，猶如宇宙中的蠟燭一根根熄滅最後一片漆黑，之後引力波擾動下行星脫離軌道，恆星也脫離了軌道，只剩下殘骸和超大質量的黑洞。

最後將到達質子都衰變的時代，假如質子真的能衰變的話，未來將變成伽馬射線和輕子，然而黑洞也將蒸發，都變成光子和輕子，宇宙進入最低能狀態！

大撕裂會是結局嗎？

因為暗能量的發現，宇宙結局變成了大撕裂，但這是唯一的結局嗎？這取決於暗能量的性質，暗能量真的是常數嗎？真的會永遠永遠保持不變嗎？還是會增加強度？它會減弱並衰減到零嗎？它會反轉嗎？

一切都是未知數，所以宇宙在未來還有很多不確定因素，我們對它的理解將取決於對暗能量的認識，這是關乎一切的終極命運！