哈勃體積,或者更通俗地說,可觀測宇宙,是一個以我們為圓心的球狀區域,它小到足以讓我們看見其中的天體,換句話說,就是那些天體所發出的光芒有足夠的時間旅行至我們的視線之中。
我們常談及的宇宙直徑,那930億光年的數字,實際上是可觀測宇宙的尺度,這讓我們能夠理論上見證星系、星團以及其他物質結構的壯麗景象。
然而,在465億光年之外的不可視區域,仍舊歸屬于我們的宇宙范圍,而超出這個范圍的,根據暴漲理論的推測,可能存在一個與我們毫無干系、不存因果的多元宇宙。盡管如此,這一切都尚未得到科學的實證。
那么,問題來了:一個僅有138億年歷史的宇宙,怎會有930億光年的廣袤?為何我們無法窺見可觀測邊界之外的宇宙?而那些在我們宇宙之外的宇宙,它們又是如何誕生的?回答這些疑問,似乎能為你解開諸多謎團。
大爆炸理論的提出,為我們描繪了宇宙現存物質結構的形成與演變,但同時也拋出了新的謎題:那個被稱為“奇點”的高溫、高密度、充滿物質與輻射的狀態究竟從何而來?這正是宇宙學家面臨的一大難題。大爆炸理論并未告訴我們最初的狀態,這讓我們認為它并不完備。除此之外,還有其他問題待解:
微波背景輻射的密度漲落從何而來?它是形成一切物質結構的基礎,也可稱為“結構的種子”。
宇宙在大尺度上呈現出的均勻物質分布之謎。
數十、甚至數百光年之外的宇宙區域,彼此間并無信息交流,為何空間溫度卻如此一致?即微波背景輻射所顯示的,宇宙各處的平均溫度為2.725K。
為何空間如此平整?也就是說,我們的可觀測宇宙與零曲率宇宙幾無二致。
這些問題都是大爆炸理論未能解答的,然而在其他方面的成功又使我們難以質疑其正確性。因此,科學家們推測,大爆炸理論必然有所不足,或許在大爆炸之前存在著某種未知狀態。
1980年,美國科學家阿蘭·古斯提出了暴脹理論,它假設在大爆炸之前,宇宙中尚不存在任何物質與輻射,唯一的是充滿空間的真空能量。真空能量的量子場波動導致空間各處不同位置發生指數級的膨脹,就像一鍋在煤氣灶上燉煮的濃湯,湯中不同位置會冒出氣泡。
每個膨脹的區域最終形成一個獨立、互不相連的宇宙。這就是暴脹理論對于多元宇宙的猜想,但這一猜想同樣未能得到證實。它意味著,在我們的宇宙之外,存在其他宇宙,也就是說,在宇宙之外,還存在著空間。我們的宇宙與其他宇宙一起,漂浮在一個更大的母宇宙之中。
然而,在我們的宇宙內部,為何有可觀測與不可觀測之分?
在單一暴漲的泡沫中,誕生了我們的宇宙。真空能量引發了空間的指數級膨脹,空間迅速被拉伸,無論原本宇宙的形狀如何,暴漲結束后,都會變得平坦無異。正如前面描述的從a到d的過程。
真空中的能量波動隨著空間膨脹也被迅速拉伸至我們宇宙的每一角落。在暴漲結束后,一部分真空能量轉變為物質,我們稱之為宇宙的再加熱,這一過程產生了大爆炸的初始熱狀態。能量的微小波動為未來的物質結構提供了微小的密度不均勻,微波背景輻射的密度漲落也源自此處。
而真空能量的大部分則被封存,成為我們現在所稱的暗能量。
要明確的是,從宇宙誕生至今,甚至直至未來,它一直在膨脹,而且膨脹速度遠超光速。
經過再加熱階段后,大爆炸啟動,隨之而來的是粒子間高能的撞擊,創造出了我們今天所知或未知的所有基本粒子。然而直到大爆炸后38萬年,宇宙的膨脹與冷卻才使得中性原子得以形成。
但那時,宇宙中尚不存在恒星或星系,這些發光的物質結構是在宇宙誕生后五千萬至一億年間逐漸形成。可以想見,當恒星形成并開始放射光線,那時的宇宙已經膨脹至無法丈量的邊界。
離我們較近的星系,其光線可以在較短時間內抵達地球,而較遠的星系則需花費更長時間。也就是說,星系越遠,光線抵達所需時間越長。
由于光速的限制,如果宇宙處于減速膨脹狀態,那么即便星系再遙遠,他們的光線最終都會到達地球,也就是說我們的可觀測范圍是不斷擴大的,未來將能看見更多星系。
然而,由于暗能量的作用,宇宙在誕生后45億年進入加速膨脹階段,這意味著那些光線尚未到達地球的星系將永遠無法觸及我們的視線。
而那些已經在我們視線內的,我們將有幸看到它們,但最遠的也只能是460億光年范圍內的星系,這便是我們的可觀測宇宙。那些光線未曾到達地球的星系,則位于可觀測宇宙之外。
總結一下:由于暴漲初期量子場的波動,空間在不同點開始暴漲,形成了各自獨立的宇宙,這些宇宙之間不存在因果關系,有科學家認為,某些區域的暴漲仍在繼續,意味著新的宇宙泡沫仍在不斷形成。
在我們的單個宇宙中,由于光速的限制與持續的膨脹,有些星系形成后的光線永遠無法抵達地球。因此,我們僅能看見那些光線已抵達我們所在之地的星系,這個范圍便是我們的可觀測宇宙。
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