彭羅斯 ：宇宙不僅無始無終，而且無邊無際

想象一下,我們的宇宙就像一個巨大無比的寶盒,裏面裝滿了數不清的星系,每個星系又像一個小小的寶石盒,裝着億萬顆閃閃發光的恆星,你有沒有好奇過,這個寶盒到底有多大?它的邊界在哪裏?寶盒的最外面又藏着什麼神祕之物? 這些問題就像一道道難題,困擾着科學家們幾十年,但迄今爲止,誰也沒能找到絕對的答案。根據研究,我們能看到的宇宙,就像一個直徑有930億光年的巨大氣泡。 像尼爾·德格拉斯·泰森這樣的科學家認爲,這個氣泡是有邊界的,但英國的數學物理大師諾貝爾·蔣德主·羅傑·彭羅斯卻不這麼看,他覺得宇宙不僅從時間角度上來看是無始無終的,而且從空間角度上來看是無邊無際的,無窮無盡的。 在上個視頻中,我們介紹了彭羅斯的關於宇宙無始無終的觀點。 下面,咱們再來跟隨彭羅斯的想法,一起來探索這個無邊無際的宇宙,看看它是否真的有一個邊緣,或者它是否真的無窮無盡。 在咱們開始探索之前,先來弄明白一個問題,宇宙的邊緣指的是啥意思。 當我們談問太空的時候,其實指的是我們所能看到的那部分宇宙,也就是所謂的哈勃體積。 這就像一個圍繞地球的巨大氣泡,裏面包含了所有我們所能看到的星際和物質,因爲它們發出的光已經趕上了我們這裏的時間,飛到了我們這裏。 光的速度雖然快,接近每秒30萬公里,但在宇宙這個浩瀚舞臺上,它其實跑得並不算快。 那些比銀河系還遠的星際,它們的光飛到我們這裏也可得好些時間呢。 這就意味着,我們所看到的那些星際和星際,其實是它們過去的模樣。 就比如說,如果有個星際離我們十億光年遠,我們現在看到的,其實是它十億年前的樣子。 想象一下,宇宙邊緣就像一個由宇宙138億年曆史劃定的時間界線,哈勃體積就是那些光線在138億光年內跑到我們這裏的星際們聚集的地方。 星際離我們越遠,就好像越接近宇宙的開始。 所以說,向宇宙邊緣的探索,其實也是一趟穿越時空的旅行。 通過詹姆斯·韋伯這樣的超級望遠鏡,我們就像得到了一臺時光機器,能夠窺探宇宙的各個歷史階段。 宇宙從誕生那刻起,就在不停地膨脹。 這種膨脹在遠方星際傳來的光底留下了獨特的印記——紅移。 就是當光從遙遠的地方被空間的膨脹拉長時,會發生一種變化,讓光波變長,通常變成紅色。 紅移就像是測量星系之間距離的尺子。 星系的紅移值就是我們開啓宇宙探險之旅的鑰匙。 我們的旅程從地球開始,即使在我們自家的太陽系,地球也不過是一個小部點。 我們的太陽,在銀河系至少1000億顆恆星中,只是一顆普通的恆星,而且很多恆星還擁有自己的行星系統。 當我們走出銀河系,宇宙的壯麗廣闊就真的展現在我們面前。 我們的銀河系是一個名叫本地星系群的小小空間家園的一部分,這個家園裏住着30多個星系。 本地星系群有大約1000萬光年寬,裏面的主要星系都挺近的。 在這個星系群裏,有三個最大的星系,它們似乎因爲引力而彼此靠近,好像在和宇宙的擴張對抗。 只有當我們踏出本地星系群,我們纔會遇到紅一的奇蹟。 離開本地星系群后,我們進入了更廣闊的本地體積,這裏包括了地球附近大約3000萬光年範圍內的所有星系。 這個區域不僅有我們的本地星系群,還有500多個其他迷人的鄰近星系,每個都屬於自己的星系群。 特別值得一提的是巨人議會,這個星系群由12個差不多和銀河系一樣大或更大的星系組成,它們好像圍繞着我們的本地星系群。 這些星系中的一些還有自己的小鄰居,比如和巨人議會關聯的雕塑星系群。 雕塑星系,或者叫NGC253,離我們大約1100萬光年,它因爲活躍的恆星形成而聞名,是我們本地附近最亮的星系之一。 想象一下,有一個星系,它雖然不算特別巨大,卻因爲它獨特的形狀,耀眼的亮度,還有大約100個小星系組成的神祕複合體而出名,這就是仕女座二雲。 這個複合體就位於紅儀0.039之外,超出了我們的本地體積。 在仕女座星系團的中心,藏着超過1500個星系,其中最引人注目的是梅西耶87,一個超巨大的橢圓星系,它擁有數萬億顆老化的恆星和一個巨大的黑洞在其核心。 2019年,這個黑洞因爲成爲首個被世界望遠鏡拍攝到的黑洞而成名,而且這個黑洞還是射電波的主力發射源。 這些星系,包括梅西耶87在內,都是一個更宏大結構的一部分,這個結構帶我們穿越紅儀0.01,飛行大約1.51光年的距離。 仕女座超星系團,這個包含成千上萬星系的巨型結構,橫跨超過一億光年的空間僅僅是宇宙網絡的一小部分。 更神奇的是,仕女座超星系團其實是拉尼亞凱亞的一部分,這是一個更大級別的星系超星系團,它跨越了超過五億光年,包含了超過十萬個星系。 這些星系雖然不是被引力綁在一起的,但在拉尼亞凱亞內部的集體引力影響卻讓它們像葉子一樣朝向陽光微微傾斜。 長久以來,這種引力的源頭是個謎,被稱爲偉大吸引者的星系隱藏在銀河系的銀河平面後面,一直讓天文學家們摸不着頭腦。 幸運的是,現代的觀測技術讓我們能夠使用X射線和紅外線看穿銀河系,揭露了這種吸引力的源頭,它位於地球約2.5億光年遠的長舌座安多爾超星系團的諾瑪星系團深處。 不過,諾瑪星系團並不能完全解釋我們觀察到的星際運動,還有更重要的東西在其作用。 科學家們追蹤到了夏普利超星系團,它位於地球超過6.5億光年遠處,以及更遠的船帆座超星系團,距離地球超過8億光年。 這些巨大的星系超星系團對拉尼亞凱亞內的星系產生了影響,放大了諾瑪星系團的引力,解釋了偉大吸引者強大力量的祕密。 拉尼亞凱亞就像仕女座超星系團一樣,並不是通過引力緊密連接在一起的,這讓我們不確定是否可以把這些高階的狙擊體視爲真正的結構。 但是,宇宙網絡還可以進一步擴展,形成所謂的星系絲狀物。 星系絲狀物是宇宙中最大的結構,它們像鏈條一樣連接着星系超星系團,跨越超過2.5億光年的距離。 有些絲狀物甚至更加龐大,比如位於距離地球10億光年的絲龍大牆,這是通過絲龍數字天空巡天發現的一個巨大絲狀物結構。 它由多個密集排列的星系超星系團組成,其中最著名的是SCI-126,雖然最初被視爲一個連續的結構,現在人們認爲它實際上可能是三個不同的星系超星系團和絲狀物排列在一起。 不過,絲龍大牆在其2003年發現後的大約10年時間裏,一直保持着已知最大宇宙結構的頭銜。 越過這些神奇的結構,當我們穿越到紅異0.1的界限,大約1.38億光年遠時,我們開始觀察到年輕宇宙的特徵。 數十億年前,像銀河系和M31這樣的星系由於與臨近星系的碰撞而發生了顯著的變化,導致恆星和氣體的融合。 這些融合過程引發了恆星形成的熱潮,受到這些星系遭遇所帶來的潮汐影響,星系中的氣體被激發,形成了新的恆星。 想象一下,當大量的氣體聚集在一個星系的中心,特別是圍繞着那裏的黑洞時,就像點燃了一場炫目的電磁煙火秀。 當星系中心的黑洞開始和這些氣體跳起舞蹈時,它就變成了一個光芒四射的星系核,發射出大量的輻射能量,讓星系在各種電磁波場上鬥亮晶晶的。 比如說,射地星系,它們就是在像M87這樣的橢圓星系中發現的活躍星系核。 這些星系之所以能發出射電波,是因爲亞原子粒子被黑洞的磁場吸引過去,然後以雙重相對論性的噴流被強勁地噴射出來。 這些噴流把物質帶得飛快,飛行數千光年,產生了像搖滾音樂會一樣震耳欲聾的射電同步輻射。 在紅儀0.1的地方,我們找到了射電星系3C327。 再往遠一點,大約在15億光年的地方,我們遇到了已知最大的射電星系,奧西瓦紐。 它發射的射電波長達到了令人瞠目結舌的1600萬光年。 在這兩個星系之間,紅儀0.158的地方,我們邂逅了3C273。 它不只是個射電星系,還是個類星體,活躍星系盒中最閃耀,最充滿活力的類星。 類星體的動力來自它們黑洞周圍的吸積盤,裏面的粒子以難以置信的速度運動產生巨大的熱量, 發射出的電磁能量比太陽核聚變的效率還要高出50倍。 這讓類星體釋放出覆蓋整個電磁光譜的大量輻射能量。 衛星體星系簡直亮瞎眼,亮度比銀河系高出數十萬倍。 它們是如此的強大,以至於即使從數十億光年外觀察, 它們的光也可能被誤認爲是我們銀河系中的恆星。 事實上,衛星體最初是因爲它們不尋常的射電和紫外線輻射而被發現的, 比如3C273最初還被誤以爲是個普通的恆星呢。 然而,在這個紅移範圍內,類星體相對罕見, 比如3C273大約距離地球25億光年。 但多數類星體其實更遠,存在於更早的宇宙時期, 那時的宇宙條件更適合這些閃耀的星際信標的誕生。 除了需要大量氣體圍繞星際核外, 黑洞的大小對於驅動類星體輻射也很關鍵。 如果超大質量黑洞像M87中的那個一樣太大, 它就會變得太大,無法高效地處理其引力球內的氣體, 反而會整塊整塊地吞噬物質。 在宇宙早期,當星系中心的黑洞通常較小時, 類星體更常見,就像遍佈宇宙的璀璨星際噴泉。 爲了觀察到更多的類星體,我們需要深入太空, 穿越紅一億的界線,大約84億光年遠。 在這個深度,我們發現類星體的出現率顯著提高, 這是個幸運的事情,因爲這些距離上的大多數 普通星系都太暗,無法進行詳細研究。 那些接近100億年前的類星體爲我們提供了 關於它們曾經照亮的星系絲樁物的洞見, 就像聖誕樹上閃閃發光的LED燈一樣。 想象一下,當我們走近距離地球大約90億光年的神祕地帶時, 我們開始遇到像絲龍大牆那樣的龐大宇宙結構中的 類星體星系,數量衆多,排列宛如宇宙的巨型拼圖。 大型類星體群,就像是散佈在數十億光年之遙的星際燈塔, 雖然這些群體看起來並非有引力緊密相連, 但它們卻組成了我們目睹過的最大的宇宙結構之一。 在距離地球大約88億光年的地方, 我們碰到了一個創紀錄的類星體群U1.11, 它有38個類星體星系組成, 它們分佈在一片大約22億光年寬的宇宙空間中。 稍微遠一些,紅儀1.28的地方, 我們找到了克洛維斯·坎普薩諾大型類星體群CCLQG, 有一個由34個類星體星系組成的群體, 它們跨越了超過20億光年的距離。 最後,在差不多的距離處,紅儀12.5, 我們遇到了這些群體中最大的一個巨型類星體群, 它彙集了73個類星體星系,橫跨了超過40億光年。 雖然這些群組可能不完全代表真實的結構, 有可能是隨機排列的結果, 但科學家們依然將它們視爲已知最大的宇宙結構之一。 然而,2013年發現了一個比四龍大牆還要巨大的結構, 並不是由類星體群組成的, 而是與伽馬射線爆發有關的結構。 伽馬射線爆發是一種極其強大的電磁爆炸, 它在短短几秒鐘內就釋放了相當於太陽 整個壽命中釋放能量的總和。 這些伽馬射線爆發與類星體和射電星系不同, 它們通常不是活躍星系核的產物, 它們通常來源於劇烈的超新星爆炸 或兩顆中子星碰撞形成黑洞的事件。 在這兩種情況下,都會釋放出大量的伽馬輻射, 隨後在更長的波長中產生更持久的餘暉, 讓我們能夠追蹤並定位它們。 在類星體群遠遠之外,紅111.6處, 科學家們發現了一個看起來由散佈在令人難以置信的 100億光年範圍內的伽馬射線爆發組成的團簇。 這個結構被稱爲大力師北冕座大牆, 被視爲是最大的宇宙結構, 儘管它可能不是由某個底層的超級絲狀物形成的。 像類星體一樣,伽馬射線爆發是星系的固有特性, 它們可能並不直接與更大規模的絲狀物演化有關。 不過,要真正理解100億光年的距離, 確實是一個難以置信的挑戰。 這個距離讓我們整個存在顯得渺小, 讓我們在浩瀚宇宙中的地球經歷顯得微不足道。 大力師北冕座大牆帶我們一路走到紅12, 距離地球令人震驚的112億光年。 這次旅行帶我們回到了宇宙早期一個充滿活力的時期, 宇宙五高潮。 在這個時期,年輕宇宙中的恆星形成率達到了頂峯, 大約發生在大爆炸後的25億年。 在這個時代,宇宙被無數的氣體和繁忙的恆星工廠, 年輕的星系裝點着, 每個星系每年創造出相當於太陽質量的3000到4000倍的新恆星, 與我們更大的銀河系每年僅產生10個太陽質量的恆星形成相比, 形成了鮮明的對比。 想想一下,在早期的宇宙裏, 有些星系就像被點亮的霓虹燈一樣, 它們被電離的電磁輻射照亮, 而那些閃亮的類星體星系在這一紅移範圍內扮演着重要的角色。 但在這些遙遠的距離上, 有時我們會遇到一些特別的傢伙, 它們被淺井氣體的帷幕遮住了光芒。 在天文學中,有個術語叫熱狗, 它其實是指那些被熱塵埃遮蓋的星系, 這些傢伙本質上是來自早期宇宙的亮閃閃的類星體星系, 被周圍更密集的氣體帷幕包圍着。 2010年,NASA的WAS望遠鏡在紅一二到四之間發現了1000多個這樣的熱狗。 當我們接近大約130億光年的令人擇舌的距離, 位於紅一三的地方, 處理來自這些遙遠物體的光輻射就變得越來越棘手了。 這是因爲在這個距離上, 一些紅一模型表明, 星系的後退速度開始超過光速了。 就像我們之前提到的, 宇宙的擴張讓星系之間的距離越來越大。 最終,宇宙的擴張速度在兩點之間似乎超過了光速。 但別擔心, 這並不違反物理定律, 因爲實際上沒有東西真的在以光速移動。 然而,在120億光年的標記之外, 物體離我們遠去的速度如此之快, 以至於它們的輻射變得非常微弱和紅一。 這些物體好像被時間凍結了, 因爲它們的光追被宇宙膨脹的力量壓倒了。 過去,人們認爲超出這個距離的紅一代大多超出了我們的探測範圍。 不過,隨着下一代電磁觀測設備的發展, 尤其是紅白技術的進步, 我們開始能夠看到這個古老時代的微弱光線。 比如說,詹姆斯, 微薄望遠鏡就是專門設計用來研究那些原始星系的。 天文學家對這些星系感興趣的主要原因之一是, 它們可能富含第三代恆星及宇宙中的第一代恆星, 這些恆星直接誕生於大爆炸後的氣體參與。 當這些最初的恆星在宇宙黎明時期點亮時, 它們觸發了宇宙歷史中的一個關鍵階段, 被稱爲在電離時代。 這個時代代表了早期宇宙氣體動力學的兩個重要轉變之一。 大爆炸之後產生的等離子體 逐漸演變成了第一代中性氫和氦氣體。 隨着這些氣體孕育出第三代恆星, 它們輻射的恆星光線開始逆轉這個過程。 這些恆星的紫外線輻射剝離了氣體中的電子, 使其再次電離。 這個過程持續了大約1.25億年。 大約在紅一六世結束,標誌着在電離時代的結束, 那時,大多數原本中性的氣體再次變成了帶電的等離子體。 我們爲什麼會有大爆炸? 是什麼引發的呢? 大爆炸之前是否還有其他宇宙或多元宇宙的存在? 這些都是研究這個時代的天文學家們正在探索的關鍵問題。 爲了解答這些問題,天文學家們一直在尋找那些 出現在宇宙黎明之後的最遙遠和最古老的星系。 今年來,天文學家們的辛勤工作讓我們能夠窺見宇宙深處 足足超過130億光年的神祕天體。 想象一下,在大雄座深處,紅一高達11.1的地方, 我們遇到了GNZ11, 這可是我們所知道的最古老、最遙遠的星系之一。 這個星系就像一團氣體和古老恆星組成的微弱光斑, 據說它形成的時間僅僅是在大爆炸後的4.2億年。 考慮到恆星可能在那之前的一半時間都不存在, 這簡直是個超速發展。 一直到2022年,GNZ11都是我們發現的最遠星系的記錄保持者, 直到東京大學的天文學家們發現了一個更遙遠、 因此更早期的星系HD1。 這個星系被估計存在於令人吃驚的紅一13.27處, 這意味着它在宇宙誕生後僅3.3億年就已經形成了。 這個難以置信的距離還有待詹姆斯、 韋伯望遠鏡的進一步確認。 順便說一句,韋伯望遠鏡還偶然探測到了超遠程星系GSE13。 雖然HD1沒有那麼遙遠, 但這個創世紀星系仍然位於紅一13的範圍內, 距離地球驚人的135億光年。 這種宇宙距離的巨大難以理解, 但當我們考慮到空間的無情擴張時, 一切變得更加令人難以置信。 這三個星系在距離我們135億光年時發射出它們的光。 今天,它們的位置已經被推得更遠, 超過了地球330億光年的距離。 這個距離如此遙遠, 以至於它們發射的光永遠不可能在已經過去的時間裏到達我們的太陽系。 隨着這些天體逐漸從我們的觀測範圍消失, 我們接近了位於紅一二十的宇宙邊緣, 距離地球136億光年。 在這一點上,我們對宇宙的光學視野就此結束。 這裏標誌着最初的第三代恆星的光。 超出這個節點, 我們深入探究宇宙早期存在的最神祕階段之一——暗時代。 這個時代僅隨大爆炸之後, 但早於宇宙黎明,當時宇宙完全陷入黑暗, 因爲沒有任何發光源。 這種黑暗是基於一個事實, 空間本身並非固有的黑色,它是無色和透明的。 我們在哈勃和維勃望遠鏡捕捉到的深場下觀察到的黑暗, 標誌着一個時期, 在大爆炸後的僅幾百萬年,宇宙中還沒有光。 不幸的是, 這代表了我們能夠使用光學波長進行探測的最遠界限。 超出這個邊界, 由於巨大的距離超過了138億光年, 光子沒有足夠的時間到達地球。 隨着宇宙的繼續老化, 來自更深深度的更古老的光最終將到達我們的太陽系, 進一步擴大我們可觀測的宇宙。 然而,這些星際將僅僅以暗紅色拉長的剪影出現, 像被時間凍結了一樣。 在此之前,我們被限制在哈勃體積內, 與宇宙的其餘部分隔離, 被宇宙世界世界也稱爲粒子世界所隔離。 但我們的這個探索宇宙的旅程還遠未結束, 咱們的宇宙探險還有最後一個神祕的站點。 想想一下, 暗時代的開始標記着在電離的結束, 也就是在紅一二十的位置, 但它其實一直延伸, 一直延伸到紅一一千零九十奧。 那裏,我們遇到了宇宙中最古老的光, 那就是大爆炸留下的餘暉。 這個餘暉因爲宇宙膨脹被拉長拉長, 最終變成了我們現在能聽到的射電波。 每次當我們把天線對準夜空, 都能捕捉到那種均勻的微波輻射背景, 不管在哪兒,它都是一樣的聲音。 雖然有部分是地球上的干擾信號, 但更深遠的源頭, 其實是宇宙誕生時的第一聲響。 我們宇宙旅程的終極目的地, 就是宇宙的嬰兒照片, 一張記錄了大爆炸結束, 宇宙僅有三十七萬九千年歷史時的快照。 這種宇宙背景輻射, 最初是由消失的高能等離子體 發出的光學光產生的, 這些等離子體凝結成了第一代原子, 在那之前發出的所有光子 都被原始等離子體吸收了, 所以它們在今天是看不見的。 實際上,這些宇宙微波背景 就像宇宙的邊緣, 像黃昏時的帷幕一樣, 我們能看到的宇宙邊界 就是由這些最古老的光子決定的。 但別忘了, 我們能看到的宇宙邊緣 並不代表宇宙的真正邊界。 大部分科學家都認爲, 在我們的視野之外, 在所謂的宇宙世界後面, 肯定還藏着更多的奧祕呢。 感謝你觀看這個視頻, 你認爲宇宙是不僅是無始無終, 而且還是無邊無際的嗎? 請留下你的觀點。 關於宇宙無始無終的視頻, 請觀看左上角的視頻。 請訂閱我們的頻道, 以免錯過重要的 有關科技新概念的精彩報道。