虚空与宇宙（中）- 宇宙的边界

前面简单介绍了遍布空间的场，所以知道在我们的宇宙中，不存在空无一物的虚空。现在我们在探讨另一个有趣的问题，宇宙有边界吗？

01

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地球为什么没有被烤焦

很久以前人们就意识到这样一个问题，假如宇宙空间无限大，而恒星或者星系在宇宙空间是均匀分布的，那么为什么地球没有被烤焦？

这个问题咋一听很突兀，但细想确实有道理。根据物理和几何学基本知识，光线的强度是和距离的平方成反比。比如太阳如果距离我们远10倍，那么太阳光照到地球的强度就要弱10的平方，也就是100倍。

然而体积和距离的关系则是立方的关系。假如一个球体的直径增大到10倍，那么球体的体积就会增大到10的立方就是1000倍。如果宇宙无限大，恒星在宇宙中均匀分布，那么以地球为圆心，以一个特定长度勾画出一个球体，假设这个球体中恒星的数量是100，平均照射到地球的光度是1，那么在距离1这个范围恒星照射地球的总光度是100。但如果我们把这个长度增加到10，这时平均一颗星照射地球的光度为前面的百分之一，是0.01，但整个范围却应该有100x1000=100000颗恒星。那么照射到地球的总光度就是1000，增加到10倍。

同理如果我们把距离再增加10倍，总光度还会增加10倍。这样如果距离可以无限延伸，最后照射到地球的总光度就会达到无穷，地球不仅被烤焦，还会气化成灰烬。最早提出这个问题的是德国天文学家奥伯斯(Olbers)，而这个问题也被称之为奥伯斯悖论或者光度悖论。

然而地球并没有被烤焦，这说明奥伯斯悖论中的两个假设至少有一个不成立，要么宇宙不是无穷大，要么宇宙中恒星或者星系的分布并不均匀，再或者就是两个假设都不成立。

（奥伯斯悖论，如果宇宙无穷大，而星体又是均匀分布的，我们见到的天空将会如图所示）

02

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大爆炸理论

对宇宙的认识不能只凭借想象，还需要观测。现在天文学家有非常强大的望远镜，通过无数次观测，他们发现宇宙中的星系，除了最靠近我们的一些星系外，其他星系无一例外地远离我们而去。根据这个现象，当然还有一些其他证据，人们提出大爆炸理论。也就是宇宙开始是由一个点（被称之为奇点），在很久以前发生了一场大爆炸，炸出了我们这个宇宙。

虽然大爆炸只是一个理论，现代科学并没有办法证明它的绝对真实性，而且也有很多质疑的声音，但这个理论依然是目前最主流的科学理论。按照这个理论以及各种观测采集到的天文数据，科学家得到关于我们宇宙的一些重要参数。

首先比较明确的是我们宇宙的年龄，最新的理论和观测表明我们宇宙的年龄大约是138亿年，误差不超过千分之一。

宇宙的大小，这个问题比较难以回答。真实宇宙的大小可能是无限大，但在这个真实宇宙中，有一个我们可以观察到的宇宙，这个可观测宇宙是个半径约为465亿光年的球。也就是说人类目前可以观察到的天体，当下离我们最远的距离不超过465亿光年。再远的东西，它发出的光线无法到达地球，我们无法观察到，同样它们产生的引力场也无法到达我们。所以这个可观察宇宙，无论我们愿意不愿意，就是我们可以认识的一个宇宙边界，超过这个边界的一切都只能是我们的想象，永远无法证实。

当然这个465亿光年是指当前那些星体距离我们的位置。而我们看到的则是这些星体在大约138亿年前的光景。它们现在的情况我们永远也看不到了，因为它们现在正以超过光速的速度远离我们。除非将来宇宙能停止加速膨胀，或者开始收缩，不然我们永远看不到它们。

现在这一时刻发生的事件，最终可以传递到地球的最远距离大约是160亿光年。也就是说目前距离地球超过160亿光年的星体，我们永远无法看到它们了。同样，如果我们有勇敢的宇航员，驾驶接近光速的飞船飞到距离地球160亿光年这个位置。那么他们会发现地球从他们的视野中消失了，我们和它们之间将永远失去联系，如同他们跌入一个有去无回的巨大漩涡，再也无法返回。而从他们的角度，地球则只是一个前世的梦，再也无法寻回。

(按照大爆炸理论，我们的宇宙是从大约138亿年前的一次大爆炸中产生的)

03

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宇宙的边界

宇宙的加速膨胀给我们设定了一个边界。这个边界和传统的边界不一样。对于传统边界，我们的问题是边界以外是什么东西，如果我们到达这个边界后，再往外走会碰到什么。

而我们现在遇到的边界是我们只能猜测边界以外是什么，但却永远无法看到边界以外的东西，而且更为有趣的是我们无法走到这个边界，因为按照狭义相对论，我们在这个宇宙的速度上限是光速，而我们宇宙可视边界正在以光速向我们远离，所以我们永远无法靠近这个边界，更不要说到达甚至超越这个边界。

要理解这一点可以想象一个气球上的两个蚂蚁。这两个蚂蚁之间有一段距离，两只蚂蚁都在彼此向对方爬去，爬行的过程缩短了两个蚂蚁之间的距离，但同时气球也在不停地膨胀，气球的膨胀让两个蚂蚁之间的距离变远。如果气球膨胀造成的距离增加速度大于蚂蚁爬行造成的距离缩小速度，那么这两个蚂蚁就永远无法碰到一起。

所以只要宇宙不停止加速膨胀，那么人类就永远无法突破这个视觉宇宙边界。这里有一个很有意思的问题，狭义相对论决定物体之间相互运动的速度不可以超过光速。比如A，B两个物体，A以光速向B飞行，B同时也以光速向A飞行，但两个物体之间相互接近的速度依然是光速，而不是经典物理学中的二倍光速。

然而狭义相对论虽然限定了物体相互移动的速度无法超越光速，但却不能限制宇宙膨胀造成的星系远离的速度超过光速。这真是一个奇妙的不可思议的特性。空间的膨胀造成物体的远离，如果空间是空的，那么空间依靠什么力量裹挟其中的物体随着自己的膨胀而运动呢？

这个问题让我想起《坛经》中的那个公案，到底是风动还是幡动，结果慧能给出的答案是你们的心在动。

(如果以物质方式来认识我们的宇宙，它是有一个视觉边界，但在精神层面，这个边界还存在吗？)

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