于是,我就常常陷入了自己的想象当中,把宇宙想象成了一个封闭的大箱子,而地球、太阳和银河系存在于箱子的内部。然而,这样的想法让我感到困惑,因为如果把宇宙当作箱子的话,那么宇宙的外面又是什么呢?外面的外面又是什么呢?
现在看来,这个问题之所以让人困惑,是因为从一开始的出发点就是错误的。实际上,在现代宇宙学中,我们认可的一个原理(宇宙学原理)指出:在大尺度上,宇宙是均匀且各向同性的。
这句话是什么意思呢?简单来说,如果我们局限在一个小尺度范围内进行观察,比如太阳系周围,我们可能会发现天体的分布是不均匀且各向异性的。但是,如果我们扩大观察范围,比如以数亿光年为直径,我们会发现,无论从哪个点向四周看,所看到的景象都几乎是一样的,几乎没有什么特别的地方。
正是这个原理为我们了解宇宙定下了一个基础,即宇宙没有边缘,也没有中心。但是,为什么会这样呢?我们可以通过反问来理解这个问题,如果宇宙有边缘或中心的话,那么它的均匀性和各向同性就会被打破,这一点应该不难理解。我们可以举一个例子来帮助加深对这个结论的理解。
在20世纪20年代,天文学家哈勃观察到了远离我们的星系正在退行,从而揭示了宇宙正在膨胀的事实。在大量观测数据的支持下,哈勃定律被提出。这个定律简单来说,就是离我们越远的星系,它们的退行速率越快。需要注意的是,哈勃定律并没有违背宇宙学原理,因此,在宇宙的任何地方,我们都会观测到远离我们的星系正在退行(造成这一现象的原因是宇宙自身的膨胀,而不是星系本身的运动)。
反过来说,如果宇宙目前是膨胀的,那么在遥远的过去,宇宙是从一个点膨胀而来的吗?这就是宇宙大爆炸理论的起源。
由于宇宙正在膨胀,根据我们人类的观测方式(使用电磁波),存在一个我们所能观测到的宇宙,这个宇宙是有限的,它的直径大约为920亿光年。但我们需要注意的是,可观测宇宙只是真实宇宙的一部分。那么真实宇宙有多大呢?这个问题涉及到广义相对论对宇宙的描述,根据宇宙的实际密度与临界密度之比来区分,简单来说,有三种情况:
1. 闭宇宙:这是一个高密度的宇宙,在空间上是封闭的,可以将其想象成二维球体的表面,各种物质和天体存在于球面上。在这种情况下,宇宙是有限大小的,但没有边缘(虽然我们可以想象二维球面的封闭,但对于由强烈弯曲导致的封闭三维空间就不那么容易了)。2. 开宇宙:这是一个低密度的宇宙,其形状像一个马鞍,这种宇宙是无限大小的。3. 临界宇宙:这个宇宙的密度恰好等于临界密度,另一个名字叫做“平坦宇宙”,它也是无限大小的,我们在学习欧氏几何时应用的知识也可以用在这个宇宙上。
总之,我们无法准确描述宇宙的真实大小,但我们所能观测到的宇宙直径大约为920亿光年。宇宙没有边缘,也没有中心。
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