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

 宇宙時空探索 2022-02-17

有四個可能的答案:

1. 宇宙沒有外
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,這四個答案,從不同的角度來看,都對。

嗯,接下來會用到些高維空間的知識,我就盡量說的簡單點吧,一個一個來:

1. 宇宙沒有外

宇宙的大小是有限的,但是沒有邊界,也就沒有外。

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

沒錯,你不會走到盡頭發(fā)現(xiàn)一堵墻寫著“禁止通行”,也不會被宇宙邊界彈回的球砸到腦袋。宇宙確實沒有這樣的邊界。但這并不代表宇宙是無限的。

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



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

在這樣一個二維表面上,地球有邊界么?——沒有,你可以沿著經(jīng)緯線一路走下去,不會有人把你攔在外面的盡頭。
在這樣的一個二維表面上,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,認為地是平的??蓮奶崭╊厍虻脑?,其實地面是彎曲的。你沿著一個方向走下去,會繞地球一圈走回原地。
在我們的宇宙里,你以為從一點到另一點是直的,但大尺度范圍來看,其實空間也是彎曲的。你拿著激光筆往遠方直射,光線不會射到宇宙的壁上,而是會繞了一個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,其實他是彎的。

在二維地球面上,不存在“外”。中國有外,你越過國境往北會去到蒙古。亞洲有外,往西翻越烏拉爾山會去到歐洲。但地球表面沒有外,因為沒有“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》男主活在一個被創(chuàng)造的世界里,他劃船遠航,終于撞到了他那虛擬世界的邊緣。太陽系有外,旅行者號假以時日,穿越過太陽系邊緣的奧爾特云,就可以離開太陽系。整個宇宙沒有外,剛才說了,沒有“邊界”。


《楚門的世界》劇照,男主劃船出海,撞到了世界的邊緣。

當然,沒有”邊界“,不代表它”大沒有邊界了“,一個沒有邊界的空間,也可以很小。
比如一個乒乓球的二維表面,沒有邊界,但表面積就小的可憐。
比如我們的宇宙也曾小過,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(稱之為Time 0),宇宙密度為無限大,所有的物質(zhì)擠在一個體積為0的小空間里,然后迅速爆炸,過了138億年,形成了現(xiàn)在我們看到的宇宙。可在剛剛爆發(fā)的一瞬,其實宇宙有一刻和一個蘋果一樣大,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)。



宇宙大爆炸時間演進圖,在時間0點附近,宇宙小的可以放在你的手心里。

第一部分完畢,宇宙沒有外,但它有限。

2. 宇宙有外

這時候一定有讀者要問,你說二維地球表面沒有外,但旅行者號不是離開地球了么?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?對于宇宙來說,有沒有這樣的點A?答案是,沒錯,在更高維度上,宇宙其實也有外面,但這個“外面”,跟我們平時了解的“外面”不一樣。



A點確實在地球表面二維空間的“外面”,但這是升了一個維度,從二維球面來到了三維空間。那么如果我們在三維空間升一個維度,進入四維空間,那么,宇宙也存在這樣的A點,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,不會理解A點的存在。同樣,對于我們這些生活在三維空間里的人類,也不會找到宇宙四維空間以外的A點。

為什么說所謂的“外面”,和我們平時說的“外面”不一樣?
因為任何高維到低維的降維,都會將大量的信息壓縮在一個狹窄的空間里。
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,你會發(fā)現(xiàn)這條線是有寬度的——這是二維。
鏡頭再拉近,你會發(fā)現(xiàn)一顆顆石墨顆粒粘在紙上——這是三維。
鏡頭從近到遠,從三維回到二維再回到一維,降維了,相當于把一顆顆石墨顆粒復雜的三維空間信息擠壓進了狹小的一維的一條線。
信息量可大了!



還是看這張圖,我們知道這個圖上畫的是三維地球。但其實,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,你會發(fā)現(xiàn),B點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點在西半球位于西雅圖附近,在東半球則位于我國駐馬店。
這時,當駐馬店遇上西雅圖,如果有一架飛機從駐馬店飛向西雅圖,你會發(fā)現(xiàn),在圖上,該飛機從B點飛到了C點,然后原路返回B點。在二維平面上看都是B點,但其實飛機已經(jīng)換了一個半球了。
同樣,這是二維空間中,兩個半球擠壓到了一個圓圈里,兩個半球共用一個圓形邊緣。

三維空間也行。

想象兩個四維空間的蘋果,被擠壓到了一個三維空間的蘋果里面。別人看你手里拿著一個蘋果,但其實這個空間里有倆!
這時,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。
這時你看著它,以為它啃回了原路。
但其實它啃進了第二個蘋果!正如同兩個半球共用一個圓形邊緣,這兩個蘋果共用一個蘋果表面!
正如從駐馬店去西雅圖,必須先去邊緣的C點,蟲子要啃到第二個蘋果里,必須先從蘋果深處啃到表面再啃回去。

這時候有人就會想,那既然擠壓后,反正駐馬店和西雅圖也重合了,飛機直接不經(jīng)過表面直接穿過紙面來到西雅圖不行么?這不是省路了么?那個要去第二個蘋果的蟲子,不經(jīng)過表面,就不可以啃到第二個蘋果里去么?
哇!恭喜你,發(fā)現(xiàn)了蟲洞。
蟲洞是一個高維度的橋梁,在二維世界里,蟲洞是一個三維的通道,洞口是圓形的,飛機可以從駐馬店的反面直接穿過洞口來到正面的西雅圖。在三維空間里,蟲洞是一個四維的時空橋,洞口是三維的球,走進去再出來,就去了另一個空間。
這就是為什么電影《星際穿越》里,男主的飛船沖進蟲洞,看著是一個好看的球,就如同進入了隧道,出來后發(fā)現(xiàn)來到了另一個星系。



電影《星際穿越》預告片截圖,里面的蟲洞入口長這樣。我們沒見過真的蟲洞,我感覺這個挺像的。

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

這時候問題來了,擠到一起的兩個蘋果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,蟲子在蘋果A的外面嘛?
再假設(shè),蟲子是通過一個四維蟲洞從蘋果A來到蘋果B的,在蟲洞里的時候,蟲子相當于已經(jīng)進入了高維空間,這算是在蘋果A的外面嘛?
這取決于你對“外面”的定義。

所以,宇宙在更高維度的角度下,也有外面。可這個“外面”,和我們平時說的“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,宇宙沒有外。討論”宇宙外面是什么“對于我們?nèi)S空間的生物,沒有意義。同樣,我們也不可能討論“時間0之前是什么?”

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

為什么科學不討論這些?

因為這些問題既不能證實,也不能證偽,那些PhD們沒法用這個課題做實驗,沒法發(fā)論文,研究這個畢不了業(yè)。我們只能把這些問題交給神學家、或者哲學家。

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,其實也可以有一些看上去很靠譜(但還是猜)的猜測。

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間體系,但空間體系不同,就好像同時行駛在立交橋上下兩層通道中的小汽車?!俣劝倏破叫杏钪嬖~條

平行宇宙也許和我們毫無關(guān)聯(lián),我們怎樣也無法相遇??赡芎臀覀兊挠钪婢o緊擠在一起,共用一個三維空間,就好像兩個擠在一個蘋果皮下的兩個蘋果。又或者一部分和我們宇宙重疊,另一部分彼此獨立,比如下面:


如同兩個互相穿過一部分的蘋果,注意在A點附近的重疊部分不是指一個點同時處于兩個蘋果中,而是這是兩個不同宇宙中的駐馬店和西雅圖,只是恰好共用一個空間點。
那么,如果在A點有蟲洞的話,我們可以從左邊的蘋果宇宙跑到右邊的蘋果宇宙當中去。

這時候問題又來了:如果我們通過A點蟲洞,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)找到了兩個宇宙的自由聯(lián)通之法,我們是會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”?

看過了平行宇宙,再比如一個猜測:包住我們宇宙的宇宙

我們都知道黑洞。掉進黑洞,就出不來。黑洞的逃逸速度超過光速,黑洞的邊界也是兩個世界的邊界(標準的叫法是“事件視界”),你沒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,對于我們來說,由于無法證實、無法證偽,黑洞里面的世界我們沒法用科學進行研究。
就算,黑洞里有一個同樣美好的世界,這個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》里說里面是男主女兒房間書架的后面,也不能算錯,反正不能證偽。


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

這時,假設(shè)黑洞里真的有一個世界,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。
問題來了——你怎么知道我們不是生活在這樣一個黑洞里吶?畢竟宇宙的逃逸速度也超過光速,還沒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包住我們宇宙的宇宙,在上一級宇宙里觀測我們的宇宙,由于沒有任何東西能從我們的宇宙出來,我們的宇宙看上去不就像是一個黑洞么。
當然也有區(qū)別,至少我們宇宙還能給黑洞送點東西進去,但我們現(xiàn)在沒發(fā)現(xiàn)宇宙外面有東西送進來嘛。

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

補充: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,再來考慮二維世界


如圖,我把兩個地球套在了一起,在我們地球之外又套了一個等比例放大的無質(zhì)量空心地球(就稱之為“外地球”),兩個地球共用一個球心。外地球和內(nèi)陸球相當于兩個互不干涉的二維平行世界。
如果把兩個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,重力加速度也越小。但這個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,成了一個不變的常數(shù)。
現(xiàn)在來看外地球,由于外地球距離地球遠,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。
(當然,純二維世界沒有向“下”的重力這么一說,他們沒有“下”,這里僅作舉例說明)

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)也會不同。光速可能會不同,萬有引力常數(shù)可能會不同。再比如,我們的宇宙,和一個剛剛在宇宙大爆炸中炸開幾秒鐘,扭曲非常嚴重的宇宙,圓周率都不同。

綜上,雖然我們真沒法知道宇宙外面有什么,但是還可以快樂地猜上一猜。

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