為什么科學(xué)家認(rèn)為，就算以光速飛行，也達(dá)到不了宇宙的邊緣？

如果我們造出一艘能跑到光速的飛船，一直朝一個方向沖，到底能不能撞上宇宙的“墻”？

天文學(xué)家的答案很掃興：你可以一直飛，但永遠(yuǎn)飛不到宇宙的邊緣，甚至連今天這宇宙“有多大”，我們都說不出精確數(shù)字。

這不是宇宙在玩文字游戲，而是空間和時間本身的規(guī)則，根本跟日常直覺不一樣。

光速再快，也輸給“在膨脹的空間”

在現(xiàn)代宇宙學(xué)里，不是星系在普通空間里飛來飛去，而是“空間本身”在被拉長。

1929年，美國天文學(xué)家哈勃用24寸望遠(yuǎn)鏡，盯著一些遠(yuǎn)方星系，測它們光譜里的“紅移”——波長被拉長，就像救護(hù)車開遠(yuǎn)了，聲音變低一樣。

他發(fā)現(xiàn)：離我們越遠(yuǎn)的星系，光譜紅移越厲害，退行速度越大。用數(shù)據(jù)說，就是著名的哈勃定律：

速度≈ 70公里/秒/百萬秒差距×距離

“每遠(yuǎn)1兆秒差距（約326萬光年），退行速度就多70公里/秒”。

換個直白點(diǎn)的比喻：你躺在面包里當(dāng)“葡萄干”，烤箱一開，面包整體在漲，每兩顆葡萄干之間的距離都在變大，不是葡萄干自己在里面狂奔。

這時候，“以光速出發(fā)去宇宙邊緣”這個想法，遇到兩條硬規(guī)則：

第一條：在愛因斯坦的相對論里，任何有質(zhì)量的東西，在空間中運(yùn)動的速度都不能超過光速。

第二條：相對論沒說“空間自己不能膨脹到相當(dāng)于超過光速”。

結(jié)果就是一個看上去很魔幻、但觀測已經(jīng)支持的事實(shí)：超過大約140億光年以外的很多星系，隨著空間的膨脹，遠(yuǎn)離我們的“退行速度”已經(jīng)大于光速。

注意，這不是它們“違反物理定律在超光速飛”，而是中間那塊空間在變長，你和它之間的“距離”每秒鐘漲得比光跑得還快。

對你那艘“光速飛船”來說，意味著什么？

你拼命朝前飛，速度極限是光速；但你和目標(biāo)星系之間的空間，在不斷增加，多到你飛過去的速度趕不上空間被拉長的速度。

就像你在一條自動往后移動的傳送帶上拼命往前跑，而傳送帶跑得比任何人都快，你永遠(yuǎn)追不到前面的那堵墻——甚至連它原來在哪兒，你都說不清。

哪怕我們給你一個看似更瘋狂的設(shè)定：“飛船100年內(nèi)一直以接近光速飛行”。

100年光速飛行，對你來說飛了100光年；可在這100年里，宇宙整體又膨脹了一輪，你與極遠(yuǎn)處星系的距離，不是“100光年減去一點(diǎn)”，而可能變成“比原來還遠(yuǎn)很多”。

你能不能追上宇宙的邊緣？在這個規(guī)則下，你連“追上現(xiàn)在看得見的邊界”都辦不到。

宇宙有“可觀測邊界”，但外面那圈我們看不到

那天文學(xué)家說的“邊緣”，到底指什么？

我們能看到的宇宙，并不等于宇宙本身有多大，而只等于“光有多少時間跑到我們這里”。

按照目前最主流的宇宙學(xué)模型，宇宙年齡大約是138億年。

直覺一想：那最遠(yuǎn)能看到的東西，距離我們頂多138億光年吧？

偏偏真相又跟直覺反著來。

因?yàn)樵谶@138億年里，空間一直在膨脹，光在往這邊跑的同時，它和我們之間的空間，也在被不斷拉長。

結(jié)果就是：今天我們看到的最遠(yuǎn)的那些信號（來自宇宙大爆炸后約38萬年的“宇宙微波背景”），它們發(fā)出光的時候，離我們可能只有幾千萬光年；但光一路跑過來，宇宙在這期間不斷膨脹，現(xiàn)在那些區(qū)域離我們已經(jīng)有大約460億光年遠(yuǎn)。

于是就有了一個既精確又讓人頭大的數(shù)字：在現(xiàn)有模型下，今天“可觀測宇宙”的半徑，大約是460億光年，直徑大約920億光年。

這個球殼，就是我們用任何望遠(yuǎn)鏡都“看不出去”的邊界，叫“可觀測宇宙的視界”。

注意兩個關(guān)鍵前提：

第一，這個460億光年不是宇宙的“全部”，而只是“光來得及到達(dá)我們的那一圈”。

就像站在一片大霧的平原里，你最多能看清周圍幾十米的草地；你不會說“這個平原直徑只有50米”，你只會說“我能看清的范圍是50米”。

第二，宇宙在我們“看不見”的那一圈，很可能還在延伸，甚至無限延伸。

是否有限，數(shù)學(xué)模型有不同方案，但有一點(diǎn)幾乎可以肯定：可觀測視界之外，還“有東西”，只是這些地方發(fā)出的光，直到今天還沒來得及跑到我們眼前，將來也永遠(yuǎn)跑不過來。

所以問題就變成：你坐上光速飛船，最多只能在“可觀測球殼”里到處轉(zhuǎn)悠，邊飛邊看；你根本沒法保證到達(dá)這一球殼的邊緣，更別說去驗(yàn)證“外面還有沒有下一層墻”。

對我們來說，宇宙的“邊緣”更像是一個實(shí)時后退的霧墻：你走一步，它退一步；你跑得再快，它也不會被你撞破，只會讓你始終在霧里。

真要有“宇宙邊界”，幾乎也是飛船夠不到的那一種

那有沒有一種可能：宇宙真的像一個“球殼”或者“氣泡”，外面真有個“物理邊緣”？

比如空間到那兒就突然結(jié)束了，再往前就是“虛無”。

從理論上說，物理學(xué)家并沒有完全排除這種形態(tài)，但就算真是這樣，對你那艘光速飛船來說，依然沒什么區(qū)別——你依然到不了。

原因有三層：

第一層：相對論下的“宇宙視界”，就是飛船的封閉牢籠。

不管宇宙空間整體是不是有限，只要膨脹速度在足夠遠(yuǎn)處“等效超過光速”，就會形成一個“事件視界”：視界外的任何事件，信號永遠(yuǎn)傳不到你這里；你也永遠(yuǎn)飛不過去——因?yàn)轱w船無法超過光速去“追上”那一圈正在加速遠(yuǎn)離你的空間。

這有點(diǎn)像黑洞的視界，不是說黑洞外面什么都沒了，而是“外面的信息過不來，你也過不去”。

第二層：膨脹本身在加速，使得“可到達(dá)范圍”會越來越小。

1998年，天文學(xué)家通過觀測遙遠(yuǎn)的Ia型超新星（典型例子是1998年被用來測暗能量的那批超新星），發(fā)現(xiàn)一個驚人的結(jié)果：宇宙膨脹不是在減速，而是在加速。

這背后搗亂的，是所謂的“暗能量”，占宇宙總能量密度的約68%。在這個模型下，宇宙的遠(yuǎn)區(qū)會越來越快地遠(yuǎn)離我們，今天還勉強(qiáng)屬于“將來可以到達(dá)”的區(qū)域，未來也會一個個被“鎖死”在視界之外。

簡單粗暴一點(diǎn)說：你越晚出發(fā)，能去的地方越少；你現(xiàn)在出發(fā)，很多地方已經(jīng)“天生去不了”；而那個真正的“宇宙物理邊界”，如果存在，幾乎肯定被鎖在無窮遠(yuǎn)、或者我們視界之外的某個地方，對你而言沒有任何可達(dá)性。

第三層：就算宇宙是有限的，你也可能“繞圈”，而不是“撞墻”。

在廣義相對論里，空間可以是彎的。一種設(shè)想是：宇宙像一個三維球面，我們生活在球面的二維切片上。

如果是這樣，你沿著一個方向一直走，理論上有可能“繞一圈回到原點(diǎn)”，而不是撞上邊緣。這有點(diǎn)像在地球上航行，你一直往“東”走，最后會回到出發(fā)地，但你從來沒遇到所謂“地球的墻”。

目前觀測（比如普朗克衛(wèi)星對宇宙微波背景的精細(xì)測量）暗示：在我們能看見的尺度上，宇宙的空間非常接近“平坦”，如果有整體彎曲，半徑也大得離譜——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們可觀測的460億光年。

換句話說，就算它某處真的“彎回去了”，對飛船來說也完全沒有現(xiàn)實(shí)意義，你這輩子、甚至整個宇宙壽命內(nèi)，都繞不完這一圈。

真正的“邊界”，可能是時間，而不是空間

看到這里，你可能會有點(diǎn)沮喪，原來我們連“宇宙有多大”都測不準(zhǔn)，“邊緣在哪”更像一場永遠(yuǎn)無法實(shí)測的哲學(xué)題？

天文學(xué)家的腦回路有點(diǎn)不一樣。

他們更關(guān)心的是：在我們能看見、能測量的那一小塊宇宙里，規(guī)則是不是一致、算不算得上“好用”。

現(xiàn)在的答案是：從幾億光年到幾百億光年的尺度上，宇宙的膨脹、結(jié)構(gòu)的形成、星系的演化，都在很大程度上服從同一套方程，愛因斯坦場方程配合冷暗物質(zhì)和暗能量模型。

我們可以用這些方程，把從“宇宙出生”到“今天”的整體歷史，算到誤差百分之幾的程度。

所以，對人類來說，更現(xiàn)實(shí)的邊界可能不是“宇宙有多大”，而是：在有限的時間里，我們能把“看得見的這點(diǎn)兒宇宙”理解到什么程度。

空間可以無限往外拖，時間卻每天只給你24小時，這才是你我真正要面對的宇宙邊緣。