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宇宙到此終止?科學家從哈柏望遠鏡拍攝的照片中,發現了什麽?

2024-07-27科學

我們總說人類是一種渺小卻又偉大的生物,渺小是因為相較於宇宙的廣闊,我們就像是蜉蝣,偉大則是指即使在知道自己的渺小性後仍有奮力一搏的勇氣。

因此人類的目標是星辰大海,而不僅限於某個星球甚至某個星系。但是我們用肉眼看到的宇宙是十分有限的,可能只是宇宙畫卷上的一個墨點。

而望遠鏡的出現向人類展示了更遙遠的宇宙圖景,最出名的哈伯深空望遠鏡在這些年來拍到了許多瑰麗的風景。此外,科學家還從哈柏望遠鏡拍攝的照片當中發現了一個迄今為止發現的最遙遠的星系,它是否已經處在了宇宙的邊界位置?宇宙到這裏就終止了嗎?

GNz11星系

如果按照宇宙大霹靂的理論來說,宇宙從誕生到現在已經過去了138億年的時間,這一結果是我們透過觀測宇宙微波背景放射線發現的。日前,科學家們在分析哈柏望遠鏡所拍攝的圖片時,竟然發現了一個星系在134億年前發出的光,如此看來,它的年齡與宇宙的年齡相差甚微。

光速雖然是迄今為止人類發現的宇宙當中最快的速度,但是要跨越深不見底的宇宙空間,還是需要花費很長的時間,所以照片中這個古老星系的模樣也是134億年前的樣子了。科學家們給這個星系命名為GNz11星系,經過分析發現該星系當中的天體並不是很多,尤其是大品質的恒星。

但是需要註意的是,我們看到的是它多年以前發出的光,所以尚且不能確定現在這一星系的內部情況到底是怎樣的,也許早就已經發生了翻天覆地的變化。那麽這個與宇宙年齡相差較少的古老星系上是否有文明存在呢?如果真的有文明存在,那麽這個文明的程度可能是我們無法想象的,畢竟它的起步就比人類早得多,這大概就是真正的贏在了起跑線上吧!

當GNz11星系的相關資訊公布之後,大家紛紛猜測它是否就位於宇宙的邊界,而宇宙到這裏就終止了。但是隨後科學家們公布的另一個結果告訴了我們事實並非如此,前文中我們探索出了它發出光的時間是在134億年之前,而實際測序的結果顯示它距離我們足足有320億光年那麽遠。

那麽為什麽這一星系的年齡和距離之間,會產生如此大的差異呢?這是因為宇宙並非是固定不變的,換言之它正處在膨脹之中,而這個本就十分遙遠的星系在膨脹的影響下,變得離我們更加遠了。它此時此刻發出的光都不一定能到達地球,並且它現在可能已經消失在了我們的「視野」當中。

所以宇宙當中有許多星系可能與我們只有「一面之緣」,但隨著時間推移,它們會和地球漸行漸遠。因此GNz11星系雖然足夠古老,和我們之間的距離確實也非常遙遠了,卻不意味著它已經處在了宇宙的邊界,而根據測距的結果也可以看出,宇宙到這裏並未終止。那麽宇宙是否有邊界?如果有的話,那個邊界又應該如何定義呢?

宇宙是否有邊界

人們對於宇宙是否有邊界這個問題,一直都爭論不休。有人認為是有邊界的,否則「無限性」的未知和廣闊將會把人類打入深淵,畢竟無限代表著無數種可能,而我們的諸多理論都無法解釋「無限性」。也有人認為是沒有邊界的,像上文中描述的不斷遠離的星系就是最好的證明。

愛因史坦的相對論和量子力學無疑改變了人類對於宇宙的傳統看法,將我們帶到了一個全新的高度。而愛因史坦也早早就對宇宙的邊界做出了相關的論述,在他看來,宇宙是有限無界的。

這其實涉及到幾何的一些看法,如果我們將宇宙定義為平面幾何,那麽在橫平豎直的座標軸限制下,宇宙的邊界就很容易確定了。古人也用這種視角來看過我們的地球,天圓地方就是最好的證據。但是隨著認知程度的提高,我們發現地球是個「球體」,而在球體之上顯然是不存在邊界的。

因此,不妨也將宇宙理解成這樣一個「球體」吧,這樣就能夠理解宇宙是沒有邊界的這種理論。再者,如果大家的想象力足夠豐富的話,可以把這個球體放在四維空間當中去理解,在這裏它只是看起來像一個球體,卻並不像球體那樣的圓滑。

普林斯頓大學的天體物理學教授喬·鄧克利表示:我們認為宇宙要麽是向四面八方無限延展的,要麽是自我包圍的,但仍然不存在邊界。就像甜甜圈的表面:它沒有邊緣。宇宙的樣子可能和它很像,但宇宙是三維的,而甜甜圈的表面是二維的。」

所以,如果從本質上來說,宇宙是沒有邊界的。但是我們觀測到的最古老的光和最遙遠的星系為什麽會讓我們產生宇宙是有邊界的這一錯覺呢?這是因為我們把二者「邊界」的定義混淆了,這些古老的光和遙遠星系的影像屬於「可觀測宇宙」,因此將它們放在這一理論裏面,它們就是宇宙的邊界,準確來說是「可觀測宇宙的邊界」。

可是,我們現在看到的卻也並不是完整的宇宙。比如哈柏望遠鏡拍攝到的GNz11星系,測距結果就顯示它仍在不斷地遠離我們。而如果從前就有一個星系位於320億光年外的地方,那麽現在我們再去這一位置尋找它,它可能早就不見了,因為膨脹的影響下它會「跑」得更遠。

因此,光可以作為告知我們宇宙深處有什麽的精靈,卻也不能證明那就是宇宙的邊界,我們已知的不過是可觀測宇宙的邊界罷了。待到觀測技術不斷提升,這個可視邊界也會不斷地向外延伸。

霍金在【喬治的宇宙】中就這樣寫道:在宇宙中可能還有不少地方,那裏發出的光將永遠到達不了地球,因此我們看不見它的存在。

宇宙大霹靂和紅移

不論是可觀測宇宙,還是無數天體正在遠離我們,都是根據宇宙大霹靂理論和紅移現象提出的。這些年來。雖然不斷有人對大霹靂理論提出質疑,卻也尚未能提出更加合理的理論,這是基於學術領域而言的。普通人不能理解宇宙大霹靂理論,往往是因為我們將這裏的「爆炸」與常規認知中的「爆炸」等同了,其實它們的含義是有著巨大差異的。

宇宙大霹靂並不是像我們看到的炸彈爆破一樣,無數的碎片變成星系向外界迸發。而是空間本身就在大霹靂當中,以「奇異點」為基準,四面八方都在發生著爆炸。並且爆炸結束之後也沒有「塵歸塵,土歸土」,反而一直處於膨脹當中。而在這種膨脹的影響之下,許多星系就出現了「紅移」,與我們漸行漸遠。

倘若膨脹的速度低於光速,那人類還有可能觀測到已經移動到更遠處的天體或者星系。但是宇宙顯然不想給我們這個機會,所以它將自己的膨脹閾值設定為「大於光速」,這樣,我們想透過古老的光來確定所謂的宇宙邊界就變成了不可能的事情。

並且可以觀測到的光會受到宇宙暗弱效應的影響,也就是說星系的亮度會隨著紅移距離的增加而極速變暗。所以說,紅移距離超過了一定的限制,那個星系發出的光也無法再被處於地球的人類觀測到,而粗略估計,應該有無數星系已經這樣悄無聲息的隱藏在黑暗當中了。

簡言之,即使是人類現在觀測到的宇宙,也是過去的宇宙。畢竟那束遙遠的光要抵達地球,需要經過漫長的旅行。所以,我們現在的一切觀測結果都只能定義「過去」,而如果你要問現在的宇宙已經膨脹成什麽樣了,科學家們只能給出相關的推測。

顯然,宇宙的邊界並不是GNz11星系,它也不可能在此處終止。甚是可以這樣說,GNz11只能算是目前觀測到的宇宙邊界的「一個部份」,這一記錄會隨著我們的觀測技術提到而被不斷地重新整理。

哈伯深空望遠鏡

人類的眼睛與一些動物相比都不算發達,所以是無法「直觀宇宙」的。但是好在我們可以憑借科技創造出工具,使它代替我們去觀察宇宙。哈伯太空望遠鏡就這樣誕生了,與400多年以前伽利略制造的簡易望遠鏡相比,它的效能有了質的飛躍。

可以說,雖然欠發達的科技和短暫的壽命限制了我們在「宇宙巡遊」的夢想,但是哈柏望遠鏡卻代替我們實作了這件事情。哈柏望遠鏡全長約為13.3公尺,直徑為4.3公尺,其重量高達11.6噸。

之所以擁有這麽大的「體格」,是因為它的構造異常的復雜。不僅有主鏡、副鏡這種必備的觀測裝置,還有電腦處理系統、成像系統、影像發送系統等等。而且它的位置可是在太空當中,因此太陽能電池板和保持通訊的天線也尤為重要,可見,哈柏望遠鏡是在「負重」拍攝的。

簡單來說,哈柏望遠鏡在這些年之間向我們展示了美麗的宇宙。平時大家在網頁上看到的美麗星雲,大多都是由它拍攝的。不僅如此,1994年,蘇梅列維九號彗星與木星相撞的盛大場面,它也拍攝了下來。這是人類首次目睹太陽系當中的天體撞擊災難,提醒我們要謹防那些意外「造訪」地球的小行星。

科學的無邊界宇宙理論

如果說愛因史坦是物理學界的神跡,那麽史蒂芬·霍金也算得上是「神跡再臨」了,畢竟他將相對論和量子力學理論結合之後提出了許多新的理論,對於物理學界貢獻斐然,因此他曾經也被稱為「活著的愛因史坦」。

霍金的無邊界宇宙模型是為了解決宇宙大霹靂當中有關「奇異點」的難題的,許多年來,我們只知道這是一個從無到有的過程,卻無法對奇異點做出任何科學的解釋。為此,霍金提出了虛時間,在這種理論下奇異點就像是地球的兩級,符合科學定律。

並且,這一理論的提出讓人類意識到認識宇宙並不是只能從某個領域出發,而是應該多管齊下,只從一個角度認識宇宙那得到的結果必然是片面的。這恰好證實了,我們不應該因為哈柏望遠鏡發現了迄今為止最遠的星系,從而斷定宇宙在那裏終止,甚至說那裏就是宇宙的邊界,這種看法過於片面和主觀。

霍金說過:「我們必須試圖在科學的基礎上理解宇宙的開端,它也許是超過我們能力之外的任務但是我們至少應該進行嘗試。」

所以,跳出固有思維的桎梏去看看這個宇宙吧!它遠比我們想象的遼闊,也更加精彩。