这就是为什么在未来天空中只能看到一个星系?

作者&投稿:不仲 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
这就是为什么在未来的宇宙中只能看到一个星系?~

“从混沌的宇宙到未来的世界,万物有始有终。”——布森特
仔细想一下,有什么你知道的东西是永恒的?没有吧!就连以前称为的恒星,现在也不“恒”了。那宇宙呢?在大爆炸框架下,它有开始就有结束。你可能会认为能量(物质)守恒,重子数守恒,但是它们要是超出了我们的可观测宇宙和我们脱离了因果联系,我们也会失去它们。今天我们就说下宇宙的未来,以及为什么说在未来的天空中我们只能看到一个星系?
  北半球的冬天来了,但还会有春天,但宇宙呢?  现在的时节,生活在北半球的人们,尤其是纬度比较高的地区,已经感受到了冬天满满的恶意!在未来的几个月更甚,寒流、冰冻和暴风雪将席卷整个北半球。

  但我们从来不会担心,天越来越冷,大地永远不再回春,甚至是温度低到绝对零度!因为我们可以绝对肯定地说,寒冷只是暂时的,几个月后春天肯定会悄然而至!

  在冬至之前北方的天只会越来越冷,因为北半球正在远离太阳。在接下来的几个月里,北半球将再次向太阳倾斜,随着阳光直射的增加,温度也会随之升高。
  是的!我们有太阳,但整个宇宙呢?随着时间的推移,当它慢慢失去自身的温度,谁来温暖它?这实际上是一个终极问题:宇宙的命运是什么?为了理解结局问题,我们必须回到起源的问题。毕竟一个东西怎么来的,就大致决定了它是怎么没的。
  在没有发现暗能量的时候,我们认为的宇宙命运
  按现在的观测理解,宇宙可能来自大爆炸,这个模型告诉我们,目前所知的宇宙包括所有的物质和辐射都是从一个热的、密集的、膨胀的阶段开始,一直到现在冷的,稀疏的状态,唯一没有变得就是宇宙还在膨胀,但从“嘭的一声”开始宇宙的膨胀速度一直在减慢。

  当我们听到“宇宙正在膨胀”的时候,脑海里可能会浮现出这样一幅画面。也许是星系附着在气球的表面被吹起来;也许是烤面包时里的葡萄干;也许是一个充了空气的肥皂泡,或者是其他类似膨胀的东西。
  所有我们能想到的画面都只是对广义相对论数学框架的类比,或者是用二维平面对三维空间的类比,真实的空间是怎样增长的,我们确实想象不出来!但是我们已经知道了有两件事决定了宇宙的膨胀:
  1、所有不同形式的能量密度。这包括普通物质、暗物质、暗能量、中微子、光子、宇宙弦、磁畴、磁单极子,以及任何你能想象到的更加奇特的物质。
  2、在特定的时间里,宇宙的膨胀率是多少。
  下面我们就说下宇宙的膨胀特性是如何随着时间演变的。

  简单地说,有三种可能性。随着宇宙的不断膨胀,粒子的总数保持不变,但体积却在不断增加,这意味着能量密度在下降,由于膨胀率取决于能量密度,所以膨胀率也在下降。基于此,这里有三种(简单的)可能性:
  宇宙膨胀速度太慢。如果膨胀率在任何时候都低于某个临界值(由能量密度决定),膨胀率将在有限的时间内降到零。在引力的作用下,宇宙将进入一个收缩而不是膨胀的阶段,在一个大的收缩中重新崩塌。这就是一个“火”的命运,因为大爆炸遗留下来的辐射会重新升温,物质密度会不断升高,最后把所有已知的物体都重新融合到一起。
  宇宙膨胀得太快。如果膨胀率高于由能量密度决定的临界值,也就是说宇宙中根本没有足够的“物质”来阻止膨胀,整个宇宙将永远膨胀下去。虽然膨胀率会下降,但永远不会达到零值,而是一个非零的正值,相反,我们会发现自己生活在一个“开放的宇宙”中。这种情况的宇宙命运被称为热寂,或“冰”的场景。
  宇宙膨胀得恰到好处。如果膨胀率恰好是由能量密度决定的临界值,膨胀率就会无限的趋近于零,但永远达不到零值。宇宙中只要多一个或少一个粒子,就会得到上面的第一种或第二种情况,这种情况会导致宇宙最慢的热寂。
  以上的可能都说明了一件事,就是宇宙初始条件,直接影响了宇宙的命运!而且以上的这些场景对初始条件非常非常敏感,下面我们来看看早期宇宙中的膨胀率的“不同”,就给出一个非常不同的宇宙。
  
  其实以上三种不同曲线的膨胀率仅仅差了10^24分之一不到!就意味着宇宙命运的巨大差别,一个几乎是今天的两倍大的宇宙,和一个已经重新崩塌的宇宙!事实证明膨胀率和能量密度配合的恰到好处,宇宙感觉像是微调过一样,我们的宇宙完全属于第三种可能!
  但是,你肯定也注意到了,我们忽略了暗能量的存在,如果有暗能量,第三种场景就不太正确了,需要一点点修正!
  暗能量下的宇宙命运
  膨胀率不是趋向于零,而是趋向于一个小而有限的值! 这是一个非常非常重要的变化,因为暗能量加速了宇宙冰冷命运的到来!随着宇宙的继续膨胀,膨胀率不会下降,而是保持着显著性稳定性,因此当时间流逝两倍时,某物的距离就会增加一倍;当时间流逝三倍时,它就远离六倍的距离;当四倍的时间时,就是八倍的距离,依此类推!

  也就是说星系之间的距离开始以指数级的方式增加,就像上面概述的那样。这意味着任何一个现在不受引力束缚的星系,包括宇宙中所有的大星系团和本地星系群以外的天体,都将随着时间的推移加速远离我们。 这就是为什么我们称之为加速的宇宙!我们需要知道的是,即使膨胀率本身没有增加,情况也是如此;如果膨胀率增加,膨胀的速度也会以指数的方式增长!
  这一切都是因为暗能量的存在:一种空间自身固有的能量!与随着宇宙膨胀而稀释的物质和辐射不同,暗能量相当于宇宙常数,因为即使宇宙继续膨胀,暗能量密度也保持不变!
  为什么说在未来的天空中我们只能看到一个星系?
  我们宇宙不只是在热寂中结束,而且会以最快的速度让热寂到来!在未来上图中的每一个星系都将从我们的视野中消失,就目前来说其中的许多星系即使是现在我们以光速旅行也已经无法到达它们,因为它们目前的退行速度比光速还要快!虽然如此,我们也不必担心,因为这是一个非常非常漫长的过程,而且在未来很长一段时间里,我们自己的本星系群将会发生大量有趣的事情。

  我们都知道,也是经常说的一件事,本星系群中的所有物体,包括一万亿颗恒星,甚至更多的行星、气体和暗物质最终会合并成一个巨大的宇宙“怪兽”,也就是说到那时如果地球上还有幸存在人类的话,他们仰望星空,只能看到宇宙中只有一个星系,那就是自己所处的巨大椭圆星系。我们真的无法想象,到时的人类有多么的困惑,浩瀚的宇宙中什么也没有,这怎么解释?只能说穷尽所有的智慧都不可能得出任何正确的答案。
  即使是我们现在,由于宇宙的加速膨胀,可观测宇宙97%的星系即使是光速旅行已经不可到达了。也可以说它们发出的光也永远无法到达我们。这一切都是暗能量惹的祸。

“在整个宇宙里只存在着一个实体,只是它的形式有各种变化。”——〔法〕拉美特利:《人是机器》
  随着宇宙年龄的增长,每时每刻都有无数的星系正在从我们的视野中消失,每时每刻都有大量的信息正在逃离我们的可见宇宙。所以我们经常说以后的人类不会比我们现在看到的更多,这一切都要归咎于加速膨胀的宇宙,正在把一切推离我们的感知范围。那么我们现在能知道有多少可观测宇宙已经消失了吗?为什么说可观测宇宙97%的星系已经和我们失去了联系?我们先来讨论一下事物消失的含义,然后再回到大爆炸的概念上来。
  78亿年,宇宙的分水岭!在这之前一切都在减速
  大爆炸创造了一个炽热、稠密、不断膨胀的宇宙,而膨胀是时空结构本身的特性。而它里面的物质和辐射会被稀释,密度下降,随着空间体积的扩张,它们之间的距离会越来越远。与此同时,所有的物质和辐射也产生了巨大的引力,试图把宇宙拉回到一起。
  这就是数十亿年来宇宙膨胀与万有引力之间的伟大斗争。而我们人类作为观察者一开始并不知道哪一方会赢的胜利。

  引力获胜,它会使宇宙达到最大的尺寸,然后逆转膨胀并在“大收缩”中告终?
  膨胀获胜,它会导致宇宙永远膨胀,永不停歇,事物之间的距离变得无限遥远,宇宙最终以“大冻结”而告终?
  引力和膨胀都没有获胜,正好处在两者之间的情形。在这种情况下,膨胀率无限趋近于零,但不会逆转:一个临界宇宙?也就是说宇宙中哪怕在多一个质子,引力就会逆转宇宙!
  
  虽然以上的宇宙命运彼此非常不同,但它们都有一个共同点。看看今天的宇宙,看看外面的星系。我们所能看到(在可见的极限)的任何一个星系,它所发出的光在穿越巨大的宇宙空间之后才到达我们的眼睛。
  在经历了数十亿年的时间,光子孤独地穿行在分隔星系并且不断扩大的空间中。我们也可以认为,光子一直逆流而上,逆着不断膨胀的宇宙空间往前飞行,最终达到地球。

  随着时间的推移,在宇宙最初的78亿年里,来自遥远星系越来越多的星光开始追上我们。
  为什么这么说呢?  因为在最初的78亿年里,宇宙一直在减速,这意味着即使宇宙在膨胀,即使遥远星系离我们越来越远,但它们远离我们速度越来越慢。结果就是,最初我们肉眼看不见的星系,最终就出现在了我们的视野。
  随着时间的推移,越来越多的宇宙变得可见。如果宇宙中只有物质和辐射,那么宇宙中更多的空间将会被我们看到,减速一直继续,唯一的问题是星系的衰退速度是否会:
  变成0,反转,开始向我们逼近(大坍缩)。
  减少但始终保持正值,永远推行(大冻结)。
  渐近趋向于0,永远不会到达0,宇宙也永远不会反转(临界)。
  但是,随着宇宙的膨胀,能量密度的持续下降,宇宙向我们揭示了一些不同寻常的事情,也可以说是一个彩蛋:空间本身有一种内在的能量,称为暗能量。
  78亿年后,是暗能量的天下,一切都在加速
  上图左可以看到宇宙的膨胀对物质、辐射和暗能量的影响,暗能量基本不动,直到物质和辐射密度急剧下降,暗能量的作用才变得清晰可见,从大爆炸到暗能量的影响改变宇宙的膨胀,这一过程花了78亿年。也就是说,在宇宙诞生后的78亿年间,任何观察者都不会发现暗能量的存在,因为那时暗能量的能量密度还不足以影响宇宙的膨胀方式,只有宇宙的继续膨胀,物质密度下降,暗能量才开始崭露头角,掌控宇宙。因此我们说这真的是宇宙的一个彩蛋、惊喜!
  当暗能量密度变得足够大,达到宇宙总能量密度的三分之一时,遥远的星系不再减速,而是开始加速远离我们。这意味着,它们的衰退速度非但没有放缓,反而开始加速了!

  那些遥远星系发出的光已经到达地球的仍然会到达地球;加速的宇宙并没有改变这一点。只会让飞行途中的光红移。
  但对于许多这样的遥远星系,我们将永远看不到它们发出的新光,在宇宙现在这个年龄之前,我们只能看到它们在很久以前发出的旧光。想想为什么会这样。
  为什么说可观测宇宙97%的星系已经和我们失去了联系?
  遥远的星系在不断膨胀的宇宙中发出光线。我们和那个星系之间的空间在继续扩大,但光子仍在向我们靠近。由于星系不断地发出光线,现在不仅有光到达我们,将来也会有光到达我们!
  但是,想想那个星系今天在哪里。想想膨胀的、加速的宇宙。想想今天的宇宙有多大。

  上图展示了我们可观测宇宙直径大约是920亿光年,包含了至少几千亿个(可能是上万亿个)星系。
  可问题是,按照今天的膨胀率,任何距离我们超过140亿光年的星系,我们都不会再接收到这个星系的光线!也就是说这个星系和我们之间的空间正非常快的速度膨胀,以至于今天发出的光子永远也无法到达我们!如果我们计算一个140亿光年半径的球体中包含了多少可观测宇宙,并将其与直径920亿光年的球体进行比较,就会发现我们只与可观测宇宙中大约3%的星系目前扔有联系(存在因果关系),其余星系都永远消失了!

  随着时间的推移,越来越多的星系和星系团都将与我们失去因果关系。这并不意味着我们再也看不到它们了,这只是意味着我们再也无法与它们发生交流,它们发出的新光不会达到我们,我们发出的新光也不会达到它们。也就是说,如果我们现在以光速旅行飞向它们,也永远不到达到目的地。
  但是我们数十亿年前发出的光可能还能到达它们!就像它们再数十亿年前发出的光能到达我们的眼睛一样:
  但这些光的数量是有限的,
  而且红移非常高
  也会发生时间膨胀,意思是遥远星系的事件在我们看来会非常缓慢,
  为了探测到这些更遥远的星系,我们需要使用红外望远镜,还得“把快门打开”更长时间增加曝光,才能看到接受到它们以前发出的光线。

  如果没有暗能量(如果没有加速或消失的星系),大爆炸可能会以完全相同的方式发生,但我们的宇宙会更小,星系会离得更近,我们会看到更多的星系,它们的红移会更少,宇宙会膨胀得更慢,每个星系的退行都会减速。大量的星系不会从我们的视野中消失,而是随着时间的推移,新的星系会出现在我们视野!
  虽然可观测宇宙中没有哪个星系消失到了看不见的地步,但97%的星系消失的原因是它们的新光已经无法到达我们了。星系仍然可见,但只是由于它们的旧光。例如,那些星系此时此刻发生了重大的事件,我们永远都不会知道。

  这就是正在消失的宇宙的运作方式,以及星系从我们的视野中消失的真正含义。

“从混沌的宇宙到未来的世界,万物有始有终。”——布森特


仔细想一下,有什么你知道的东西是永恒的?没有吧!就连以前称为的恒星,现在也不“恒”了。那宇宙呢?在大爆炸框架下,它有开始就有结束。你可能会认为能量(物质)守恒,重子数守恒,但是它们要是超出了我们的可观测宇宙和我们脱离了因果联系,我们也会失去它们。今天我们就说下宇宙的未来,以及为什么说在未来的天空中我们只能看到一个星系?

北半球的冬天来了,但还会有春天,但宇宙呢?

现在的时节,生活在北半球的人们,尤其是纬度比较高的地区,已经感受到了冬天满满的恶意!在未来的几个月更甚,寒流、冰冻和暴风雪将席卷整个北半球。


但我们从来不会担心,天越来越冷,大地永远不再回春,甚至是温度低到绝对零度!因为我们可以绝对肯定地说,寒冷只是暂时的,几个月后春天肯定会悄然而至!


在冬至之前北方的天只会越来越冷,因为北半球正在远离太阳。在接下来的几个月里,北半球将再次向太阳倾斜,随着阳光直射的增加,温度也会随之升高。

是的!我们有太阳,但整个宇宙呢?随着时间的推移,当它慢慢失去自身的温度,谁来温暖它?这实际上是一个终极问题:宇宙的命运是什么?为了理解结局问题,我们必须回到起源的问题。毕竟一个东西怎么来的,就大致决定了它是怎么没的。

在没有发现暗能量的时候,我们认为的宇宙命运


按现在的观测理解,宇宙可能来自大爆炸,这个模型告诉我们,目前所知的宇宙包括所有的物质和辐射都是从一个热的、密集的、膨胀的阶段开始,一直到现在冷的,稀疏的状态,唯一没有变得就是宇宙还在膨胀,但从“嘭的一声”开始宇宙的膨胀速度一直在减慢。


当我们听到“宇宙正在膨胀”的时候,脑海里可能会浮现出这样一幅画面。也许是星系附着在气球的表面被吹起来;也许是烤面包时里的葡萄干;也许是一个充了空气的肥皂泡,或者是其他类似膨胀的东西。

所有我们能想到的画面都只是对广义相对论数学框架的类比,或者是用二维平面对三维空间的类比,真实的空间是怎样增长的,我们确实想象不出来!但是我们已经知道了有两件事决定了宇宙的膨胀:

  • 1、所有不同形式的能量密度。这包括普通物质、暗物质、暗能量、中微子、光子、宇宙弦、磁畴、磁单极子,以及任何你能想象到的更加奇特的物质。
  • 2、在特定的时间里,宇宙的膨胀率是多少。

下面我们就说下宇宙的膨胀特性是如何随着时间演变的。


简单地说,有三种可能性。随着宇宙的不断膨胀,粒子的总数保持不变,但体积却在不断增加,这意味着能量密度在下降,由于膨胀率取决于能量密度,所以膨胀率也在下降。基于此,这里有三种(简单的)可能性:

  • 宇宙膨胀速度太慢。如果膨胀率在任何时候都低于某个临界值(由能量密度决定),膨胀率将在有限的时间内降到零。在引力的作用下,宇宙将进入一个收缩而不是膨胀的阶段,在一个大的收缩中重新崩塌。这就是一个“火”的命运,因为大爆炸遗留下来的辐射会重新升温,物质密度会不断升高,最后把所有已知的物体都重新融合到一起。
  • 宇宙膨胀得太快。如果膨胀率高于由能量密度决定的临界值,也就是说宇宙中根本没有足够的“物质”来阻止膨胀,整个宇宙将永远膨胀下去。虽然膨胀率会下降,但永远不会达到零值,而是一个非零的正值,相反,我们会发现自己生活在一个“开放的宇宙”中。这种情况的宇宙命运被称为热寂,或“冰”的场景。
  • 宇宙膨胀得恰到好处。如果膨胀率恰好是由能量密度决定的临界值,膨胀率就会无限的趋近于零,但永远达不到零值。宇宙中只要多一个或少一个粒子,就会得到上面的第一种或第二种情况,这种情况会导致宇宙最慢的热寂。

以上的可能都说明了一件事,就是宇宙初始条件,直接影响了宇宙的命运!而且以上的这些场景对初始条件非常非常敏感,下面我们来看看早期宇宙中的膨胀率的“不同”,就给出一个非常不同的宇宙。


其实以上三种不同曲线的膨胀率仅仅差了10^24分之一不到!就意味着宇宙命运的巨大差别,一个几乎是今天的两倍大的宇宙,和一个已经重新崩塌的宇宙!事实证明膨胀率和能量密度配合的恰到好处,宇宙感觉像是微调过一样,我们的宇宙完全属于第三种可能!

但是,你肯定也注意到了,我们忽略了暗能量的存在,如果有暗能量,第三种场景就不太正确了,需要一点点修正!

暗能量下的宇宙命运


膨胀率不是趋向于零,而是趋向于一个小而有限的值! 这是一个非常非常重要的变化,因为暗能量加速了宇宙冰冷命运的到来!随着宇宙的继续膨胀,膨胀率不会下降,而是保持着显著性稳定性,因此当时间流逝两倍时,某物的距离就会增加一倍;当时间流逝三倍时,它就远离六倍的距离;当四倍的时间时,就是八倍的距离,依此类推!


也就是说星系之间的距离开始以指数级的方式增加,就像上面概述的那样。这意味着任何一个现在不受引力束缚的星系,包括宇宙中所有的大星系团和本地星系群以外的天体,都将随着时间的推移加速远离我们。 这就是为什么我们称之为加速的宇宙!我们需要知道的是,即使膨胀率本身没有增加,情况也是如此;如果膨胀率增加,膨胀的速度也会以指数的方式增长!

这一切都是因为暗能量的存在:一种空间自身固有的能量!与随着宇宙膨胀而稀释的物质和辐射不同,暗能量相当于宇宙常数,因为即使宇宙继续膨胀,暗能量密度也保持不变!

为什么说在未来的天空中我们只能看到一个星系?


我们宇宙不只是在热寂中结束,而且会以最快的速度让热寂到来!在未来上图中的每一个星系都将从我们的视野中消失,就目前来说其中的许多星系即使是现在我们以光速旅行也已经无法到达它们,因为它们目前的退行速度比光速还要快!虽然如此,我们也不必担心,因为这是一个非常非常漫长的过程,而且在未来很长一段时间里,我们自己的本星系群将会发生大量有趣的事情。


我们都知道,也是经常说的一件事,本星系群中的所有物体,包括一万亿颗恒星,甚至更多的行星、气体和暗物质最终会合并成一个巨大的宇宙“怪兽”,也就是说到那时如果地球上还有幸存在人类的话,他们仰望星空,只能看到宇宙中只有一个星系,那就是自己所处的巨大椭圆星系。我们真的无法想象,到时的人类有多么的困惑,浩瀚的宇宙中什么也没有,这怎么解释?只能说穷尽所有的智慧都不可能得出任何正确的答案。

即使是我们现在,由于宇宙的加速膨胀,可观测宇宙97%的星系即使是光速旅行已经不可到达了。也可以说它们发出的光也永远无法到达我们。这一切都是暗能量惹的祸。




这就是为什么在未来的宇宙中只能看到一个星系?
在未来上图中的每一个星系都将从我们的视野中消失,就目前来说其中的许多星系即使是现在我们以光速旅行也已经无法到达它们,因为它们目前的退行速度比光速还要快!虽然如此,我们也不必担心,因为这是一个非常非常漫长的过程,而且在未来很长一段时间里,我们自己的本星系群将会发生大量有趣的事情。我们都...

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