宇宙間的驚人定律（在宇宙中一直沿直線旅行會發生什麼）
2023-06-22 15:13:22
這張圖描繪了一個假想的環形宇宙，或宇宙的「甜甜圈理論」。事實上，這樣的宇宙並不能以這種方式呈現出來，因為甜甜圈有二維的表面，而且環形宇宙不僅在空間中是彎曲的，在時空中也是彎曲的。不過，把宇宙想像成某種「宇宙甜甜圈」會更簡單，也更有趣。
來源：bigthink
撰文：Ethan Siegel
翻譯：任天
宇宙是有限的還是無限的？它是一直向前發展，還是循環往復？如果你堅定不移地朝一個方向旅行下去，會發生什麼？
宇宙是一個巨大、奇妙而又古怪的所在。從人類的視角，各個方向上的宇宙範圍大約為460億光年。無論望向哪裡，我們看到的都是一個充滿恆星和星系的宇宙，但這些天體都是獨一無二的嗎？有沒有可能，你在一個方向上看到的一個星系，當你從不同的視角，或者從相反的方向看，也會看到同樣的星系？宇宙真的會循環往復嗎？如果你沿著直線旅行得足夠遠，最終會回到起點嗎，就像你在地球表面朝任何一個方向走了足夠長的時間一樣？或者，會不會有什麼東西阻止你回到原點？
圖中所示的星系都位於本星系群之外，因此它們都不受銀河系的引力約束。結果，隨著宇宙的膨脹，它們發出的光會向波長更長、更紅的方向移動。這些物體不斷遠離我們，隨著膨脹的持續，它們會越來越遠。
這是一個值得思考的有趣問題。對大多數人來說，空間和時間的一些特性是難以想像的。在宇宙中，如果一直沿直線旅行的話，似乎可以永遠走下去。有什麼東西會阻止你？一堵牆？如果是的話，那牆的另一邊是什麼？
或許聽起來很荒謬，但答案是：兩種情況皆有可能。你既可以永遠旅行下去，但也會有東西阻止你。關鍵在於如何理解不斷膨脹的宇宙，這本身就是最令人難以想像的概念之一。
當我們仰望宇宙的時候，看到的物體並不是它們如今存在的樣子。從我們的角度來看，宇宙大爆炸已經發生了138億年，而我們所看到的一切都比宇宙本身年輕。
我們的宇宙可能有點像一個關於小行星的宇宙三維遊戲，你可以從宇宙的這邊離開，然後在另一邊重新出現。如果宇宙膨脹得足夠慢，或者我們的速度足夠快，時間足夠長，那我們最終會回到起點，沒有什麼能阻止我們到達設定的目的地。
為什麼會這樣？
大爆炸同時發生在所有地方，如果我們位於宇宙的其他地方，也會經歷同樣的138億年時間。但如果我們從那個位置觀察地球，就必須考慮到我們所看到的地球並不是它今天真正的模樣。相反，我們看到的是地球當時的樣子；當時到達的光從地球發射出來，再被我們接收到。我們看到的是地球的過去。
如果我們在月球上，這些反射光大約就是1.3秒前發出的。如果我們在一顆圍繞半人馬座α星運行的行星上，那這些光的存在就已經有4.3年了。如果我們在仙女座星系，則這些光應該已經行進了250萬年。
當我們從自己的角度觀察一個遙遠的物體時，同樣的原理也在起作用：我們看到的是這些物體在光線到達時的樣子。只不過，如果我們將目光越過本星系群的衛星、行星、恆星和星系，向更遠的宇宙望去，就會有另一個因素在起作用：光所穿過的空間正在擴大。
20世紀，物理學家發現宇宙正在膨脹，這是人類對宇宙認識的最大變革之一。一個距離我們越遠的遙遠星系——假設它不受銀河系引力的約束——它發出的光的紅移量就越大，或者說，它的光會被拉伸至更長的波長。
即使是在一個不斷膨脹的宇宙中，只要有足夠的時間，遙遠天體發出的光終究會被我們看到。不僅光子的波長會因為宇宙的膨脹而被拉長，物質粒子的德布羅意波長也會被拉長。光在宇宙中穿行的時間越長，它的波長因宇宙膨脹而被拉長的程度就越大。
在宇宙中，有三種情況通常會導致紅移：
（1）當光源與觀察者相對遠離彼此時；
（2）當射出的光需要爬出一個巨大的重力勢阱時；
（3）當兩個物體之間的空間在光的旅程中膨脹時。
儘管前兩種效應在短距離內可能很顯著，但在最大的宇宙尺度上，只有空間的膨脹才具有重要的意義。
三角形的內角和取決於空間曲率的大小。在正曲率（上）、負曲率（中）或平坦（下）的宇宙中，三角形內角之和分別為＞180°、＜180°或等於180°。儘管很容易描繪一個正曲率的曲面（上）是如何有限並循環的，但非正曲率的曲面也可以是有限的。
宇宙正在膨脹的事實很重要，原因有很多，尤其是從宇宙的視角來看。這一事實讓我們可以推斷出宇宙歷史，以及我們如何從一個更熱、更密集、更均勻、更迅速膨脹的狀態中誕生的過程。如果我們能測量膨脹速率隨時間的變化，或許就能推斷出構成宇宙的各種能量類型及其比例。
而且，如果我們能知道宇宙是如何膨脹的，以及宇宙所包含的一切，我們就能預測它在遙遠未來會如何膨脹，以及宇宙最終的命運會是什麼。
圓環幾何結構是空間平面的一個例子，它既沒有正曲率也沒有負曲率，但在範圍上是有限的。如果你所處的空間本質上是環面，那麼一直沿直線走的話，你最終就可以回到起點。
那麼，這些與之前提到的問題有什麼關係？如果你永遠沿著直線穿越宇宙，會發生什麼？
首先，我們先來考慮另一種可能性：如果你永遠沿著直線旅行，穿過一個不會膨脹，靜態不變的宇宙，情況會有什麼不同？
在靜態不變的宇宙中，一切都取決於我們已知的、可以用數學描述的宇宙拓撲結構。愛因斯坦的廣義相對論帶來的重大變革之一，就是讓人們認識到，空間本身並不能簡單地用直線構成的的三維網格來描述，因為這種描述是剛性、絕對的。相反，空間本身必然會因物質和能量的存在（或不存在）而彎曲。當存在一個巨大且過度密集的物質和/或能量集合時，就會導致更大的（正的）空間曲率；而當物質和能量低於平均水平甚至是負的時，就會導致負曲率。
最全面的宇宙微波背景圖。宇宙微波背景輻射是宇宙中可觀測到的最古老的光。這張圖向我們展示了大爆炸發生38萬年後宇宙快照，其中沒有重複的結構，也沒有可以相互識別的區域。這一事實限制了任何重複結構的大小，也限制了宇宙的有限屬性，使之大於現代宇宙視界的大小。
在廣義相對論中，我們所居住的時空也可以有一個全局結構。你的時空可以是正曲率的，就像一個（高維）球體；它也可以是負曲率的，就像一個（高維）馬鞍；它還可以是平坦的，在最大的整體尺度上既沒有正曲率也沒有負曲率。
儘管我們很容易看出正曲率空間是如何有限和封閉的，但要意識到平坦空間也可以有限和封閉，就不那麼直觀了，但這種情況確實是可能的。要理解這一點，只需簡單地想像一個長而直的圓柱體，然後把這個圓柱體彎曲成一個甜甜圈狀，直到兩端連接起來。這種形狀被稱為圓環體，它在空間上是平坦的，同時也是有限的和封閉的。
如果宇宙沒有膨脹，你只能想像以下兩種可能性。
（1）宇宙可能是有限的和封閉的，無論它的曲率如何。如果你在一個方向上走得足夠遠，或者說在一個方向上走得足夠久，你最終會回到起點。即使空間本身在拓撲結構上很奇怪，就像一條莫比烏斯帶或一個克萊因瓶，你也可以繼續前進，並最終回到旅程開始的地方。
（2）宇宙可能是無限、開放的，與它的曲率無關。無論你朝哪個方向走了多遠，花了多長時間，你總會發現自己遇到了以前從未遇到過的「新空間」。沒有什麼能阻止你，也沒有什麼能使你回到出發的地方，除非你掉轉頭往回走。
宇宙的預期命運（前三張插圖）都對應著一個物質和能量共同對抗初始膨脹速率的宇宙。在我們觀測到的宇宙中，宇宙加速是由某種類型的暗能量引起的，這種暗能量至今仍未得到解釋。如果宇宙膨脹速率繼續下降，就像前三種情況一樣，那你最終可以趕上任何東西。但如果你所處的宇宙包含暗能量，情況就不再是這樣了。
當我們以各種已知的方式觀測宇宙——包括其中的各種星系、各種氣體和等離子體、恆星輻射、星際物質分子，甚至是宇宙大爆炸本身——我們都在尋找重複的模式，希望能找到證據，證明宇宙在我們可以觀察到的尺度上可能是有限的。
事實上，我們唯一一次看到多幅同一天文源圖像的時候，就是在空間某處有一個巨大的引力質量時，來自背景源的光被扭曲成多個不同的路徑，而這些路徑都可以成功地到達我們的眼睛。儘管這種現象——被稱為「強引力透鏡」——在光學和科學上都有非同尋常的意義，但它只局限於天空中非常狹窄、局部的角度和區域。
然而，我們還沒有這樣的好運氣。事實上，我們已經能夠滿懷自信的說，整個宇宙中並不存在重複的結構，沒有哪個物體會與我們在另一個方向觀察到的物體相同；甚至在宇宙「最初的光」當中，我們也沒有在兩個不同區域發現完全相同的模式。
但現在，讓我們來思考一個既重要而又令人不安的現實：宇宙不是靜態的，而是在膨脹的。更確切地說，宇宙不僅僅在膨脹，因為其中也充滿了物質和能量，它在膨脹時也有引力的作用。我們可以想像，至少在原則上，這意味著我們的遙遠未來存在某些可能性。
（1）引力效應可能比目前的宇宙膨脹更強大，這意味著，宇宙會膨脹一段時間，達到最大尺度，然後逆轉方向，開始收縮，甚至可能以「大坍縮」結束，就像一開始的「大爆炸」一樣；
（2）引力效應可能沒有目前的宇宙膨脹強大，這意味著宇宙將永遠膨脹，儘管膨脹速度可能會繼續放緩；
（3）引力效應與初始膨脹可以完美地平衡彼此，這意味著，膨脹速率將以漸近線的形式接近於0，但永遠不會逆轉或重新坍縮。
在20世紀的大部分時間裡，這就是宇宙學家們考慮的三種主要可能性。對宇宙膨脹速率和膨脹歷史的探索，就是為了更深入地區分這些選項。
可見宇宙的大小（黃色），以及我們所能達到的範圍（洋紅色）。可見宇宙的極限是461億光年，因為這是一個發出光的物體在遠離我們138億年之後到達今天我們所處位置的極限。然而，在大約180億光年之外，即使我們以光速前往一個星系，也永遠無法追上它。
如果第一個選項描述了我們所處宇宙的現實，那你就不可能永遠走直線，因為宇宙只存在有限的時間，你最終會撞到一堵牆，一堵時間的牆。你可以一直沿著直線旅行，在宇宙再次完全坍縮之前回到起點，但到時你或許只能享受一小段時間。
如果第二個或第三個選項描述了宇宙的現實，那你最終將能夠「追上」任何存在於太空中的星系或物體，甚至是那些正在以極快的速度遠離我們的星系或物體。隨著時間的推移，膨脹率會持續下降，漸漸地，越來越多的遙遠星系會第一次出現在我們的視野中，並最終被一個在足夠長時間內沿同一條直線移動的太空旅行者超越。如果宇宙是無限的，那我們最終可以追上任何東西；如果宇宙是有限的，我們最終會回到自己的起點。
然而，更重要的問題是，這些場景都不足以描述我們的宇宙實際上是如何膨脹的。我們其實生活在一個由暗能量主導的宇宙中，這是空間結構中固有的一種能量，它總是保持恆定的能量密度。即使空間本身在膨脹，暗能量的密度也永遠不會下降，因此，膨脹速率永遠是正的和有限的。這極大地改變了我們對宇宙命運的預期，這意味著，對於任何一個距離很近，但不受銀河系引力約束的星系，一旦它擴展到一定距離之外，我們就永遠無法追上它。換言之，這個星系將從我們「觸手可及」的地方消失，無論我們朝它的方向旅行了多長時間，無論我們能達到的速度有多接近光速。
很遺憾，這就是我們目前所能獲得的答案。沿一條直線，你可以在時間上永遠旅行下去，但只能到達可觀測宇宙的很小一部分。任何超出當前宇宙視界的事物——超出我們目前所能看到的極限——都永遠超出了我們的觀測能力範圍。事實上，我們今天已經無法觀測到任何比180億光年更遠的物體了。換句話說，在我們所能觀測到的所有物體中，只有大約6%的物體是我們可以到達的。每過一秒鐘，就會有成千上萬顆恆星被膨脹的宇宙推過這個臨界邊界，導致它們從「可及」過渡到「不可及」，即使我們現在就以光速出發追趕它們。
儘管有各種解釋宇宙形狀、曲率和拓撲結構的可能性，但即使永遠沿直線旅行，你也永遠不會回到起點。綜合事實如下：
·宇宙正在膨脹；
·暗能量導致膨脹加速；
·現在距離宇宙大爆炸已經過去了138億年了；
·宇宙不會重複，在小於~460億光年的尺度上也不是有限的，這使我們永遠無法像環繞地球那樣，環繞宇宙航行。在某種非常宏大的尺度上，宇宙也許在本質上確實是有限的。但即使如此，我們也不可能知道。儘管只要我們願意，就可以一直在宇宙空間中以儘可能快的速度旅行；我們可以想像沒有盡頭，但大部分的宇宙已經永遠地遠離我們，而且越來越遠。一個宇宙視界限制了我們在不斷膨脹的宇宙中旅行的距離，就目前的我們而言，超過180億光年遠的物體實際上已經消失不見了。
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