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      深度長(zhǎng)文:宇宙外面到底是什么?這或許才是你想要的答案?。ǔ?000字,請(qǐng)耐心閱讀)

       宇宙時(shí)空探索 2022-02-17

      有四個(gè)可能的答案:

      1. 宇宙沒(méi)有外
      2. 宇宙有外
      3. 宇宙外面有什么,我們不知道
      4. 宇宙外面有什么,我們可以猜

      最有意思的是,這四個(gè)答案,從不同的角度來(lái)看,都對(duì)。

      嗯,接下來(lái)會(huì)用到些高維空間的知識(shí),我就盡量說(shuō)的簡(jiǎn)單點(diǎn)吧,一個(gè)一個(gè)來(lái):

      1. 宇宙沒(méi)有外

      宇宙的大小是有限的,但是沒(méi)有邊界,也就沒(méi)有外。

      很多人問(wèn):“我一直往一個(gè)方向一直走一直走,走到一個(gè)地方走不下去了,不就是有邊界了嘛?” “我往宇宙外面扔一個(gè)球,如果被彈回來(lái)了,不就是宇宙的邊界嘛?”

      沒(méi)錯(cuò),你不會(huì)走到盡頭發(fā)現(xiàn)一堵墻寫著“禁止通行”,也不會(huì)被宇宙邊界彈回的球砸到腦袋。宇宙確實(shí)沒(méi)有這樣的邊界。但這并不代表宇宙是無(wú)限的。

      為了理解我們的三維宇宙,就先降維到二維世界去看看吧。舉第一個(gè)關(guān)于二維世界的例子,我們的地球。



      地球的表面是一個(gè)球體曲面,不考慮人類的飛行器飛離地球,人類生活的領(lǐng)域無(wú)非上至平流層的飛機(jī),下至地殼表面的礦井深處。與整個(gè)地球的尺度比起來(lái),我們相當(dāng)于只是生活在地球二維表面的生物。

      在這樣一個(gè)二維表面上,地球有邊界么?——沒(méi)有,你可以沿著經(jīng)緯線一路走下去,不會(huì)有人把你攔在外面的盡頭。
      在這樣的一個(gè)二維表面上,地球的面積是有限的么?——有的,大概是5.1億平方公里。
      所以,二維地球表面是大小有限且沒(méi)有邊界的。

      我們的三維宇宙,也是如此。
      在地球上的小尺度范圍內(nèi),你站在廣袤的平原上,認(rèn)為地是平的。可從太空俯瞰地球的話,其實(shí)地面是彎曲的。你沿著一個(gè)方向走下去,會(huì)繞地球一圈走回原地。
      在我們的宇宙里,你以為從一點(diǎn)到另一點(diǎn)是直的,但大尺度范圍來(lái)看,其實(shí)空間也是彎曲的。你拿著激光筆往遠(yuǎn)方直射,光線不會(huì)射到宇宙的壁上,而是會(huì)繞了一個(gè)大圈照到你的后腦勺。(如果你能等足夠久的話)
      你以為他是直的,其實(shí)他是彎的。

      在二維地球面上,不存在“外”。中國(guó)有外,你越過(guò)國(guó)境往北會(huì)去到蒙古。亞洲有外,往西翻越烏拉爾山會(huì)去到歐洲。但地球表面沒(méi)有外,因?yàn)闆](méi)有“邊界”。
      在三維宇宙里,也不存在“外”?!俺T的世界”有外,《楚門的世界》男主活在一個(gè)被創(chuàng)造的世界里,他劃船遠(yuǎn)航,終于撞到了他那虛擬世界的邊緣。太陽(yáng)系有外,旅行者號(hào)假以時(shí)日,穿越過(guò)太陽(yáng)系邊緣的奧爾特云,就可以離開太陽(yáng)系。整個(gè)宇宙沒(méi)有外,剛才說(shuō)了,沒(méi)有“邊界”。


      《楚門的世界》劇照,男主劃船出海,撞到了世界的邊緣。

      當(dāng)然,沒(méi)有”邊界“,不代表它”大沒(méi)有邊界了“,一個(gè)沒(méi)有邊界的空間,也可以很小。
      比如一個(gè)乒乓球的二維表面,沒(méi)有邊界,但表面積就小的可憐。
      比如我們的宇宙也曾小過(guò),我們的宇宙誕生于138億年前的宇宙大爆炸,在大爆炸的起點(diǎn)(稱之為Time 0),宇宙密度為無(wú)限大,所有的物質(zhì)擠在一個(gè)體積為0的小空間里,然后迅速爆炸,過(guò)了138億年,形成了現(xiàn)在我們看到的宇宙??稍趧倓偙l(fā)的一瞬,其實(shí)宇宙有一刻和一個(gè)蘋果一樣大,甚至可以放到你現(xiàn)在的手心里。
      乒乓球的二維表面是有限面積的,宇宙的三維空間是有限體積的(體積多大?現(xiàn)在我們也不太確定)。



      宇宙大爆炸時(shí)間演進(jìn)圖,在時(shí)間0點(diǎn)附近,宇宙小的可以放在你的手心里。

      第一部分完畢,宇宙沒(méi)有外,但它有限。

      2. 宇宙有外

      這時(shí)候一定有讀者要問(wèn),你說(shuō)二維地球表面沒(méi)有外,但旅行者號(hào)不是離開地球了么?再看下面這張地球的圖,B和C都在地球表面,但A不是在外面了么?A是不是地球的外面?對(duì)于宇宙來(lái)說(shuō),有沒(méi)有這樣的點(diǎn)A?答案是,沒(méi)錯(cuò),在更高維度上,宇宙其實(shí)也有外面,但這個(gè)“外面”,跟我們平時(shí)了解的“外面”不一樣。



      A點(diǎn)確實(shí)在地球表面二維空間的“外面”,但這是升了一個(gè)維度,從二維球面來(lái)到了三維空間。那么如果我們?cè)谌S空間升一個(gè)維度,進(jìn)入四維空間,那么,宇宙也存在這樣的A點(diǎn),宇宙有外。
      但是,如果是只生活在地球二維球面,不懂什么是三維空間的二維生物,不會(huì)理解A點(diǎn)的存在。同樣,對(duì)于我們這些生活在三維空間里的人類,也不會(huì)找到宇宙四維空間以外的A點(diǎn)。

      為什么說(shuō)所謂的“外面”,和我們平時(shí)說(shuō)的“外面”不一樣?
      因?yàn)?strong style="box-sizing: inherit;">任何高維到低維的降維,都會(huì)將大量的信息壓縮在一個(gè)狹窄的空間里。
      比如,用鉛筆在紙上劃一道,你得到了一條線——這是一維。
      用顯微鏡觀察,你會(huì)發(fā)現(xiàn)這條線是有寬度的——這是二維。
      鏡頭再拉近,你會(huì)發(fā)現(xiàn)一顆顆石墨顆粒粘在紙上——這是三維。
      鏡頭從近到遠(yuǎn),從三維回到二維再回到一維,降維了,相當(dāng)于把一顆顆石墨顆粒復(fù)雜的三維空間信息擠壓進(jìn)了狹小的一維的一條線。
      信息量可大了!



      還是看這張圖,我們知道這個(gè)圖上畫的是三維地球。但其實(shí),它出現(xiàn)在你的二維電腦屏幕上,這是一張二維圖。它把三維的地球表面信息壓縮進(jìn)二維圖片,東半球和西半球重疊擠壓在了一起。由于信息量擠壓太大,你會(huì)發(fā)現(xiàn),B點(diǎn)的位置在東西半球代表不同的城市,如果你和我一樣是文科生,熟悉地球儀,不難發(fā)現(xiàn)B點(diǎn)在西半球位于西雅圖附近,在東半球則位于我國(guó)駐馬店。
      這時(shí),當(dāng)駐馬店遇上西雅圖,如果有一架飛機(jī)從駐馬店飛向西雅圖,你會(huì)發(fā)現(xiàn),在圖上,該飛機(jī)從B點(diǎn)飛到了C點(diǎn),然后原路返回B點(diǎn)。在二維平面上看都是B點(diǎn),但其實(shí)飛機(jī)已經(jīng)換了一個(gè)半球了。
      同樣,這是二維空間中,兩個(gè)半球擠壓到了一個(gè)圓圈里,兩個(gè)半球共用一個(gè)圓形邊緣。

      三維空間也行。

      想象兩個(gè)四維空間的蘋果,被擠壓到了一個(gè)三維空間的蘋果里面。別人看你手里拿著一個(gè)蘋果,但其實(shí)這個(gè)空間里有倆!
      這時(shí),在蘋果深處,有一只蟲子。它啃啊啃啊,啃到了表面。又啃啊啃啊,原路啃了回去。
      這時(shí)你看著它,以為它啃回了原路。
      但其實(shí)它啃進(jìn)了第二個(gè)蘋果!正如同兩個(gè)半球共用一個(gè)圓形邊緣,這兩個(gè)蘋果共用一個(gè)蘋果表面!
      正如從駐馬店去西雅圖,必須先去邊緣的C點(diǎn),蟲子要啃到第二個(gè)蘋果里,必須先從蘋果深處啃到表面再啃回去。

      這時(shí)候有人就會(huì)想,那既然擠壓后,反正駐馬店和西雅圖也重合了,飛機(jī)直接不經(jīng)過(guò)表面直接穿過(guò)紙面來(lái)到西雅圖不行么?這不是省路了么?那個(gè)要去第二個(gè)蘋果的蟲子,不經(jīng)過(guò)表面,就不可以啃到第二個(gè)蘋果里去么?
      哇!恭喜你,發(fā)現(xiàn)了蟲洞
      蟲洞是一個(gè)高維度的橋梁,在二維世界里,蟲洞是一個(gè)三維的通道,洞口是圓形的,飛機(jī)可以從駐馬店的反面直接穿過(guò)洞口來(lái)到正面的西雅圖。在三維空間里,蟲洞是一個(gè)四維的時(shí)空橋,洞口是三維的球,走進(jìn)去再出來(lái),就去了另一個(gè)空間。
      這就是為什么電影《星際穿越》里,男主的飛船沖進(jìn)蟲洞,看著是一個(gè)好看的球,就如同進(jìn)入了隧道,出來(lái)后發(fā)現(xiàn)來(lái)到了另一個(gè)星系。



      電影《星際穿越》預(yù)告片截圖,里面的蟲洞入口長(zhǎng)這樣。我們沒(méi)見過(guò)真的蟲洞,我感覺(jué)這個(gè)挺像的。

      但要注意,必須在時(shí)空扭曲的很厲害的情況下(比如兩個(gè)半球都擠一起了),蟲洞才可能建立。

      這時(shí)候問(wèn)題來(lái)了,擠到一起的兩個(gè)蘋果A和B,蟲子在蘋果A里,啃到了表面,如果一躍跳到了蘋果外面空中,那么,可以確定蟲子是在A的“外面”了。
      可是,如果蟲子啃回了蘋果B的深處,外面看著似乎還在蘋果A的原位,可已經(jīng)換了蘋果誒,這時(shí),蟲子在蘋果A的外面嘛?
      再假設(shè),蟲子是通過(guò)一個(gè)四維蟲洞從蘋果A來(lái)到蘋果B的,在蟲洞里的時(shí)候,蟲子相當(dāng)于已經(jīng)進(jìn)入了高維空間,這算是在蘋果A的外面嘛?
      這取決于你對(duì)“外面”的定義。

      所以,宇宙在更高維度的角度下,也有外面??蛇@個(gè)“外面”,和我們平時(shí)說(shuō)的“外面”不一樣。

      3. 宇宙外面有什么,我們不知道

      所以,單純從我們?nèi)S空間的角度,宇宙沒(méi)有外。討論”宇宙外面是什么“對(duì)于我們?nèi)S空間的生物,沒(méi)有意義。同樣,我們也不可能討論“時(shí)間0之前是什么?”

      科學(xué)不討論這些問(wèn)題,你可以把它交給宗教和信仰,羅馬教皇現(xiàn)在就基本認(rèn)同:是上帝引發(fā)了宇宙大爆炸,創(chuàng)造了世界。飛天面條教也許認(rèn)為,時(shí)間0之前的時(shí)間線就像一根彈力十足的面條,你正在和一個(gè)丑男相親,突然面條一拉伸,時(shí)間線變長(zhǎng)了,于是你感到這個(gè)相親好漫長(zhǎng)啊,怎么也相不完。

      為什么科學(xué)不討論這些?

      因?yàn)檫@些問(wèn)題既不能證實(shí),也不能證偽,那些PhD們沒(méi)法用這個(gè)課題做實(shí)驗(yàn),沒(méi)法發(fā)論文,研究這個(gè)畢不了業(yè)。我們只能把這些問(wèn)題交給神學(xué)家、或者哲學(xué)家。

      所以,三維空間的我們,不知道宇宙“外面”是什么。

      4. 宇宙外面有什么,我們可以猜

      刨除飛天面條教的設(shè)定,其實(shí)也可以有一些看上去很靠譜(但還是猜)的猜測(cè)。

      比如:平行宇宙

      可能我們身邊就有平行宇宙。

      平行宇宙可能處于同一空間體系,但時(shí)間體系不同,就好像同在一條鐵路線上疾馳的兩列火車;它們有可能處于同一時(shí)間體系,但空間體系不同,就好像同時(shí)行駛在立交橋上下兩層通道中的小汽車。——百度百科平行宇宙詞條

      平行宇宙也許和我們毫無(wú)關(guān)聯(lián),我們?cè)鯓右矡o(wú)法相遇。可能和我們的宇宙緊緊擠在一起,共用一個(gè)三維空間,就好像兩個(gè)擠在一個(gè)蘋果皮下的兩個(gè)蘋果。又或者一部分和我們宇宙重疊,另一部分彼此獨(dú)立,比如下面:


      如同兩個(gè)互相穿過(guò)一部分的蘋果,注意在A點(diǎn)附近的重疊部分不是指一個(gè)點(diǎn)同時(shí)處于兩個(gè)蘋果中,而是這是兩個(gè)不同宇宙中的駐馬店和西雅圖,只是恰好共用一個(gè)空間點(diǎn)。
      那么,如果在A點(diǎn)有蟲洞的話,我們可以從左邊的蘋果宇宙跑到右邊的蘋果宇宙當(dāng)中去。

      這時(shí)候問(wèn)題又來(lái)了:如果我們通過(guò)A點(diǎn)蟲洞,從我們已知的宇宙左邊蘋果西雅圖,去到了右邊蘋果的駐馬店,這是,我們算是在宇宙的“外面”了么?如果我們已經(jīng)找到了兩個(gè)宇宙的自由聯(lián)通之法,我們是會(huì)把通向的地方定義為自己宇宙的一部分,還是算作宇宙的“外面”?

      看過(guò)了平行宇宙,再比如一個(gè)猜測(cè):包住我們宇宙的宇宙

      我們都知道黑洞。掉進(jìn)黑洞,就出不來(lái)。黑洞的逃逸速度超過(guò)光速,黑洞的邊界也是兩個(gè)世界的邊界(標(biāo)準(zhǔn)的叫法是“事件視界”),你沒(méi)法了解到事件視界的另一邊發(fā)生了什么。
      黑洞里面有什么,我們也不知道,對(duì)于我們來(lái)說(shuō),由于無(wú)法證實(shí)、無(wú)法證偽,黑洞里面的世界我們沒(méi)法用科學(xué)進(jìn)行研究。
      就算,黑洞里有一個(gè)同樣美好的世界,這個(gè)世界的物理定律可以和我們相同也可以相異,我們也不知道。所以影視片可以隨便設(shè)定,《星際穿越》里說(shuō)里面是男主女兒房間書架的后面,也不能算錯(cuò),反正不能證偽。


      《星際穿越》劇照,男主進(jìn)入黑洞后,發(fā)現(xiàn)進(jìn)入了高維空間,就在女兒書架后面。值得注意的是,這里的高維中,連時(shí)間維度都被展平,所以男主可以隨意選擇任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn),向前向后,不受制約地和女兒交流。

      這時(shí),假設(shè)黑洞里真的有一個(gè)世界,原則上里面的人出不去。黑洞外面則是我們的宇宙,“包住”了黑洞。
      問(wèn)題來(lái)了——你怎么知道我們不是生活在這樣一個(gè)黑洞里吶?畢竟宇宙的逃逸速度也超過(guò)光速,還沒(méi)有光可以由我們的宇宙散佚到外面去,所以從宇宙外真有一個(gè)包住我們宇宙的宇宙,在上一級(jí)宇宙里觀測(cè)我們的宇宙,由于沒(méi)有任何東西能從我們的宇宙出來(lái),我們的宇宙看上去不就像是一個(gè)黑洞么。
      當(dāng)然也有區(qū)別,至少我們宇宙還能給黑洞送點(diǎn)東西進(jìn)去,但我們現(xiàn)在沒(méi)發(fā)現(xiàn)宇宙外面有東西送進(jìn)來(lái)嘛。

      問(wèn)題又來(lái),假設(shè)外面真有個(gè)包住我們的上一級(jí)宇宙,那算是我們的外面了吧。那黑洞里面也是我們抵達(dá)不了的空間,假設(shè)里面也有一個(gè)世界,算不算宇宙的“外面”呢?
      我們科學(xué)的邊界、我們觀測(cè)的邊界,我們窮盡一切力量都到達(dá)不了也測(cè)量不了,所有的科學(xué)都全部失靈的地方,是不是就是“外面”呢?

      補(bǔ)充:為什么如果有其他宇宙,性質(zhì)可以和我們一樣又不一樣?
      看下一張圖,再來(lái)考慮二維世界


      如圖,我把兩個(gè)地球套在了一起,在我們地球之外又套了一個(gè)等比例放大的無(wú)質(zhì)量空心地球(就稱之為“外地球”),兩個(gè)地球共用一個(gè)球心。外地球和內(nèi)陸球相當(dāng)于兩個(gè)互不干涉的二維平行世界。
      如果把兩個(gè)地球近似看做二維世界,那么我們生活在內(nèi)陸球的球面上,一切物理定律都和我們現(xiàn)在的完全一樣。我們知道:光速是30萬(wàn)km/s,重力加速度g大約是9.8N/kg,每千克質(zhì)量的物體受到的重力是9.8牛頓。
      三維空間的我們還知道,距離地球中心越遠(yuǎn),重力加速度也越小。但這個(gè)近似二維世界里不考慮三維海拔提升的話,上面生活的人會(huì)本能地以為地球上的g全是9.8。重力加速度在地球的二維世界里,成了一個(gè)不變的常數(shù)。
      現(xiàn)在來(lái)看外地球,由于外地球距離地球遠(yuǎn),同樣是二維世界,他們世界里的重力加速度可能是4。于是在外地球的世界里,重力加速度等于4,也是常數(shù)。
      由于在三維空間里所處位置不同,不同二維世界里的基礎(chǔ)常數(shù),重力加速度出現(xiàn)了變化。
      (當(dāng)然,純二維世界沒(méi)有向“下”的重力這么一說(shuō),他們沒(méi)有“下”,這里僅作舉例說(shuō)明)

      同樣,由于我們的三維宇宙在高維空間里所處位置與其他平行宇宙不同,不同宇宙的發(fā)展階段也不同,我們的宇宙和其他宇宙的基本常數(shù)也會(huì)不同。光速可能會(huì)不同,萬(wàn)有引力常數(shù)可能會(huì)不同。再比如,我們的宇宙,和一個(gè)剛剛在宇宙大爆炸中炸開幾秒鐘,扭曲非常嚴(yán)重的宇宙,圓周率都不同。

      綜上,雖然我們真沒(méi)法知道宇宙外面有什么,但是還可以快樂(lè)地猜上一猜。

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