宇宙在膨脹, 說明外面還有空間, 那外面又是什麼?

宇宙，這個目前仍有著諸多人類未解之謎的龐大世界一直是神秘的象徵，

科學家

也從未停止對宇宙的研究。

自科學家們透過觀測發現了宇宙在不斷膨脹之後誕生出了許多問題，宇宙是否是有邊界的，如果有的話宇宙的外面是什麼世界，是否有其他生命存在於宇宙之外。

這些問題由於依靠人類目前的科學技術手段都不能得到解決，但是科學家們依據現有的知識，對宇宙以外的世界已經有了大致的預測。

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宇宙及內部物質從何而來

宇宙大爆炸理論是能夠解釋宇宙到底如何誕生的模型，這個理論的基礎是愛因斯坦的廣義相對論。

大爆炸的發展過程可謂是世界上天文，物理學家不同觀點的碰撞而得來的。1912年，維斯托·斯里弗首次測量了“漩渦星雲”以及類似的星系正在逐漸遠離地球，這個發現引發了世紀天文大辯論。

1917年愛因斯坦將廣義相對論應用到了宇宙的研究中，但由於相對論的觀點中宇宙是動態的，不符合當時的靜態宇宙模型，愛因斯坦在此基礎上添加了宇宙學常數進行了修改。

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1924年，天文學家埃德溫·哈勃測得“漩渦星雲”是位於銀河系以外的星雲，在不久之後的比利時物理學家勒梅特，提出了星雲發生多普勒頻移的原因是因為宇宙在不斷膨脹。

這個觀點的提出與弗裡德曼的弗裡德曼方程觀點一致，兩位科學家透過不同的方式得出了近乎相同的結論——宇宙在膨脹。

二戰以後，世界上兩種關於宇宙的觀點一直在相互對立，直到1965年拉爾夫·阿爾菲與羅伯特·赫爾曼的宇宙微波背景輻射的發現成功證明了二人在之前的預言是正確的，因此宇宙大爆炸理論在被眾多物學家所應用。

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如今宇宙中的所有物質並不是在宇宙誕生之初就全部擁有的，這個過程可以透過愛因斯坦的廣義相對論進行對宇宙膨脹進行推導，從而得出宇宙中的物質是如何誕生的。

目前較為廣泛應用的模型中，大多認為宇宙在爆炸之初是由均勻分佈且各向同性的高溫高壓物質構成。其實也不難理解，任何一樣物質在發生爆炸後都會產生高溫的環境。

隨後宇宙一直在進行著降溫和膨脹，膨脹發展到10^-37秒時，誕生了夸克-膠子等離子體，以及基本粒子。但這些粒子與反粒子由於數量相同，在不斷的相互碰撞中創生或湮滅，這也就導致了但是宇宙中的重子數為0，宇宙中產生不出我們今天所謂的“物質”。

這個現象一直持續到宇宙膨脹的某個時期，夸克與輕子的數量以三千萬分之一的數量級超出了其對應的反粒子數量，這導致瞭如今宇宙中以物質為主，反物質的量相對較少。

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當宇宙的溫度降溫使得所有粒子的能量普遍降低到1太電子伏特時，產生了我們今天所瞭解的基本粒子與基本相互作用。

在10^-6秒後，夸克與膠子結合生成了質子、中子等，但由於粒子的數量略微大於反粒子，這就導致了反粒子在與粒子的相互碰撞中全部湮滅，十億分之一的質子中子留存了下來。

大爆炸進展到幾分鐘後，宇宙內的溫度降低到了約10億開爾文溫度，出現了太初核合成，意思就是出現了質子與中子結合生成原子核的現象。

隨後在大約37。9萬年之後，電子被原子核捕獲，形成了以氫原子為主的原子群，這些原子透過輻射與脫耦在宇宙中傳播，輻射的痕跡造成了如今發現的宇宙微波背景輻射。

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雖然宇宙中的物質分佈幾乎均勻，但也不排除有密度大的區域。這些物質透過較強的引力吸引其他物質進行匯合，形成了恆星以及星系等能夠被觀測到的天體。

我們能在宇宙中觀測到什麼

自138億年前宇宙大爆炸發生以來，宇宙就沒有停止過膨脹。但我們目前所能觀測到的宇宙範圍卻十分渺小，以至於很多問題未能解決。

根據科學家的測量與計算，當今地球的可觀測宇宙距離大約是140億秒差距，也就是460億光年。以這個距離為半徑的話，可以得出目前的可觀測宇宙的範圍約為一個直徑是930億光年的球體。

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截止到2011年，透過哈勃望遠鏡觀測到的最遙遠的天體是UDFj-39546284，其紅移值大約為300億光年。2016年8月，GN-z11的發現突破了可觀測到的最遠的天體紀錄，其紅移值也是已知天體中最高的。

經過對其紅移資料的計算可得，這個星系的年齡大約為134億年，也就是說宇宙大爆炸短短4億年後這個資訊就產生了。

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但話說回來，宇宙的年齡為138億年，但為什麼目前僅僅是地球上的可觀測宇宙就達到了460億光年？難道說宇宙膨脹的速度超過了光速嗎？

是的，宇宙的膨脹確實以超光速的速度進行著，並且科學家對la-超新星紅移星等的測量顯示，宇宙早在60多億年前膨脹就開始加速了。

但能夠支援宇宙以如此快的速度膨脹，必定有一種物質或者能量在支援，於是科學家們提出了“

暗能量

”這個概念，暗能量也是目前唯一能夠解釋宇宙加速膨脹的存在。

而推動宇宙膨脹的能量到現在仍是個謎，最初的宇宙由於引力的束縛導致膨脹的速度過於緩慢，但透過暗能量的不斷增加，宇宙的膨脹開始加速，暗能量與暗物質也充斥宇宙的大部分空間。

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暗能量的密度為6。91 × 10^27 kg/m3，比宇宙中其他物質的密度都要小，且均勻分佈在宇宙的各個角落，支配著宇宙中的質能。

根據2008年WMAP所計算得出的資料顯示，宇宙中的暗能量佔比為72%，同時有23%的暗物質，4。6%的常規物質與不到1%的

中微子

，常規物質的密度隨著宇宙的膨脹在不斷降低，但是暗能量的密度卻幾乎保持不變。

目前對暗能量研究還不能描述其具體的物理性質，暗能量也只是一個象徵性的存在。能夠解釋暗能量最為簡潔的方式是愛因斯坦引力場方程中的宇宙常數項，但是它僅能表明暗能量的存在是一個常量，並不能解釋其本質。

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宇宙以超光速的速度膨脹，這就導致了在地球可觀測宇宙範圍以外的一些天體可能在未來永遠無法從地球觀測到，因為這些天體的光不可能超過宇宙膨脹的速度到達地球。

不僅如此，許多理論上可以被觀測到的星系會因為宇宙的膨脹而導致紅移值的增加，導致其逐漸遠離地球變為不可觀測的天體。

之所以我們在地球上的可觀測宇宙有限，其中一個原因也是科學技術的限制。目前世界上以測量天體的紅移值來計算天體與地球的距離，其原理是透過測量天體所放出的電磁波的波長和頻率，若天體遠離地球電磁波會往紅色的區域偏移，因此被稱為紅移。

但是對於宇宙微波背景輻射意外的天體的電磁波無法到達地球，這個方法也就失效了。

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那有沒有進一步觀測更為遙遠天體的方法呢？

當然有。我們可以利用宇宙中僅有的那不到1%的中微子，因為中微子是由天體內部的核反應產生的，中微子也帶有這所屬天體的資訊，透過接收其他天體傳到地球的中微子即可得到該提案提的具體位置資訊。

例如位於南極的“冰立方”中微子天文臺就於2017年9月利用接收中微子的資訊，探測到了來自37億光年的獵戶座耀變體TXS 0506+056的中微子，這也是人類第一次使用中微子探測器定位天體。

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在我們能夠觀測到的宇宙之外存在什麼世界，對此有著諸多的說法，其中最為廣泛流傳的說發是多重宇宙與平行宇宙的存在。

多重宇宙可以理解為在可觀測宇宙之外存在著其他時空，這些時空可能由宇宙暴脹而來，也可能在我們所處的宇宙

黑洞

奇點內所無法理解。這些宇宙內的物質構成，物理規律以及其他各方面的因素可能都與我們所處的宇宙有異同之處。

平行宇宙的存在與多重宇宙略有不同，平行宇宙的解釋往往需要涉及量子力學。其大概的理解為，多個平行宇宙共用一個時間變數，每個宇宙都有著相同的起源，也就是說誕生於同一個宇宙大爆炸。

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但這些宇宙之間不會進行任何資訊交流，彼此沒有任何聯絡，物理規律以及物質構成也不能確定，平行宇宙的關係也由彼此之間的疊加態決定。

宇宙的未來

關於宇宙的未來，科學家們也做了不少相關的研究。在暗能量被發現之前，對宇宙的未來存在兩種預測：

首先當宇宙的能量密度突破臨界密度時宇宙會停止膨脹，進而向內坍縮，整個坍縮的過程伴隨著升溫和壓強增大，密度增大等現象。

坍縮過程結束後，宇宙會回到大爆炸開始時近似的狀態，這個狀態被稱為大擠壓，同時有可能再次引發大爆炸。

熵增是物質由有序變為無序的過程，這個過程存在於宇宙所有事物的物理規律中。宇宙的另一個結局的預測也與熵增有關。

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根據科學家推測，宇宙中的熵增會持續增大，一直到宇宙的能量密度等於或小於臨界密度，膨脹就會減速進行，但不會停止。

恆星演化為白矮星、中子星、黑洞，這些天體也會在引力的相互作用下結合成為更大的黑洞。

質子衰變如果也成立的話，那麼重子物質也會全部消失，最終導致宇宙中只剩黑洞與輻射，而霍金輻射的存在使得黑洞會因自身所散發出來的輻射失去質量，導致黑洞的消失。同時由於熵增需要吸熱，宇宙中的溫度會降到絕對零度，宇宙最終會達到熱寂狀態。

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結語

宇宙自誕生以來的種種謎團一直是科研人員所探究的目標，宇宙究竟從何而來？它是以什麼形式存在的？宇宙是什麼形狀？它是否是一個閉合的空間？宇宙的未來會是高溫坍縮還是會膨脹至熱寂狀態？

這種種問題依照目前的科學知識與技術手段仍得不到解決，人類連可觀測宇宙外的世界是什麼樣的，有什麼都無從得知。

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宇宙的命運也與人類的命運息息相關，但人類也是會進步的，從相對論的提出到宇宙微波背景輻射再到大爆炸模型的建立，人類對宇宙的認知也在一步步的深入。

宇宙從誕生以來究竟經歷過哪些變化，以及宇宙的未來到底回憶什麼形式結束，相信人類總會得出一個合理的結論。