#头条创作挑战赛#

宇宙是如此之大，令人难以置信。实际上，我们所能观察到的宇宙宽度近1000亿光年，仅仅是更大的宇宙空间的一小部分。在宇宙的大规模结构最终消失之前，我们能看到越来越多的宇宙景象。那么，在那之前，我们还有多长时间，能看到什么呢？

毫无疑问，在我们观测和探索宇宙方面，存在着一个绝对的极限。那么，未来观测宇宙的绝对极限究竟在哪？这对我们又有什么影响呢？

首先，我们考虑一下从遥远的宇宙中看到的光。光并非瞬间传播。当我们观测远处的物体时，我们所看到的是过去的景象。我们看到月亮是1.3秒前的样子，太阳是8分钟前的样子，银河系的恒星是几百到几千年前的样子。借助詹姆斯·韦伯等强大的望远镜，我们观察到了光已经穿越了数十亿年的星系，这是来自年轻宇宙的古老光线。

宇宙微波背景辐射（CMB）

虽然夜空看起来像是一个包围着地球的球体，但你可以将它想象成一系列壳层，每个壳层代表着从特定距离传来的光。

我们能看到的最遥远的光来自宇宙微波背景辐射（CMB），它旅行的时间几乎等同于宇宙的年龄——大约137亿年。这是在宇宙诞生后约30万年，宇宙足够冷却并形成第一个原子时，由炽热的氢等离子体发出的光，同时也是宇宙第一次变得透明。

毫无疑问，这就是我们能看到的极限。那么，CMB到底有多远呢？

当CMB光开始朝着我们的方向传播时，宇宙的尺寸比现在小1100倍。我们今天观测到的CMB光子是从原始等离子体粒子发射出来的，当时它们距离后来形成银河系的区域大约有4000万光年。在宇宙尺度上，这点距离就像是隔壁邻居。

这里会让有些人迷惑了，因为只需要4000万年，光就可以到达银河系，为什么花了137亿年这么久才抵达呢？这是因为宇宙膨胀的存在。

与此同时，这些CMB区域里所形成的星系，在宇宙膨胀的作用下被推到了离我们相反的方向，距离我们达到了465亿光年。我们通常说，可观测宇宙的半径是465亿光年，因为如果现在宇宙膨胀冻结，那将是我们能看到的最远距离。

CMB是我们所能看到的实际极限，因为在更早的时间和更远的距离，宇宙是不透明的。但有可能有一天，我们会收到来自那个时代的信号。例如，中微子可以穿过密集的原始等离子体，让我们更接近大爆炸。并且，在第一微秒内发生的事件，可能产生了我们将来可能检测到的引力波影响。

粒子视界

理论上，我们能观察到的最早时间就是大爆炸本身。宇宙大爆炸发生在宇宙的每个地方，而不是仅仅在某一个点或区域，但如果我们能幸运地观察到大爆炸，就可能可以搞清楚它是如何在宇宙微波背景辐射之外的球形壳层上发生的。

我们称这个壳层为粒子视界。这是可观测宇宙的绝对极限。至少目前是这样。

如果我们再等等，来自更遥远地方的信号将有时间到达我们。随着时间的流逝，粒子视界在膨胀，我们观察到的CMB壳层也在膨胀。但我们能看到的宇宙数量有一个极限，即使我们无限期地等下去。

为了弄清楚这个极限，我们需要一个时空图。

如果你是个宇宙爱好者，可能已经看过这些，但今天我们将在时空图上玩些你没见过的花样——好吧，至少我没见过。

考虑代表从早期时期发出的光源向我们传来的球形壳层。现在去掉我们的三个空间维度中的两个，这样我们只能在每个球体的相反方向上看到一对点，光箭头朝向我们。

现在，我们将壳层按发出的光的时间顺序垂直排列，如下图所示：

这就产生了一个时空坐标图——一维空间与时间，光在时空中朝着我们传播，形成一个光锥，过去光所形成的光锥。如下图所示：

锥体的边界角度是45度，这是光在我们这张时空图中所形成的角度。从图中可知，较慢的速度形成的角度更陡峭，这意味着只有在这个锥体内，或者在这个锥体边界上的物体，才有可能向我们在时空中的位置发送信号或者到达我们这。在光锥之外的事件，无法向我们现在的位置发送信号。

我们的粒子视界位于光锥的底部，CMB紧挨着它。但是这里有个问题，还记得吗，我们通过将一系列代表各区域当前大小的壳层分层来构建这个光锥。但是，宇宙一直在膨胀，所以在早期，这些区域要小得多，下图中的线条代表宇宙过去和未来的膨胀：

大爆炸奇点将所有空间压缩成一个点，之后它开始膨胀。起初，由于宇宙中物质的引力作用，膨胀减慢，但过了一段时间，暗能量参与进来，膨胀开始加速，这开始于几十亿年前。

虽然光锥在过去包含了更多的物体，但在某个时候，它包含的物理空间越来越少，它在粒子视界处变成了一个点。即使在大爆炸时，粒子视界也不能包含所有物体，不能包含一切。它仅代表了在时间开始时，所有物质的有限部分。

共动坐标——共动距离

如果我们对图表进行修改，就更容易看到这一点。

想象一下，我们重新定义x轴上的刻度线，使其不再表示绝对距离，而是表示在膨胀宇宙中固定点的距离，例如，这些点可以是星系。这样，我们引入固有距离这个概念。

固有距离指的是两个物体之间在宇宙膨胀下的物理距离，通常用“Gly”作为单位，表示“千兆光年”，即一万亿年光的距离。由于宇宙膨胀，两个物体之间的固有距离会随着时间而变化。引入这一概念后，时空图如下图所示：

随后，我们在每一层拉伸图形，以便将线拉直，如此，我们就得到了共动距离（Gly），它用来描述两个物体之间在膨胀宇宙中的物理距离。它表示两个物体在宇宙膨胀过程中移动的距离，不受观测者位置或观测时间的影响。最终，我们得到图形如下：

我们可以看到，在大爆炸后，我们的粒子视界只包含了宇宙的有限部分。

我们刚刚创建得这个新的坐标系统，就是所谓的共动坐标——它们随宇宙的膨胀而共动。

共动坐标——共形时间

让我们再做一个更改——我们要调整时间轴，使得在靠近大爆炸时，每个刻度表示的时间越来越短，与空间被压缩的程度相同。操作正确的话，我们会得到如下图，光锥最外侧和表示空间的横轴形成45度角。

有了这个新工具，我们可以真正看到粒子视界随时间的变化。

随着时间的推移，光锥跟随着我们。

大爆炸发生时的常规坐标系和共动坐标系

大爆炸发生后137亿年的常规坐标系和共动坐标系

大爆炸发生后935亿年的常规坐标系和共动坐标系

可以看到，随着时间的推移，在常规坐标系统中，它的形态是一个不规则的圆，但在共动坐标中，我们看到它包含了越来越多的宇宙。

乍一眼看上去，似乎没有极限——也就是说，如果我们想看到任何遥远的地方，只需要等待足够长的时间都能看到。如果不是因为暗能量，这个推论就是正确的。

但是，暗能量导致宇宙的加速膨胀，使得我们最终能看到的宇宙有一个绝对的上限。

要了解这个限制我们视野的极限，我们需要了解一些新的视界。

哈勃视界

在我们所处的膨胀的宇宙中，更远的地方似乎离我们越来越远。

距离我们足够远的地方，物质在以光速甚至超过光速远离我们。

虽然物质在空间中的移动速度不能超过光速，但空间本身相对于其他空间可以以任何速度移动，并且可以带着物质一起。

所以，有一个围绕我们的壳层，其中退行速度等于光速。这被称为哈勃视界，以发现宇宙膨胀的埃德温·哈勃命名。哈勃视界目前距离我们145亿光年。

说到这，你可能会认为，看到比这更远的东西是不可能的。毕竟，遥远空间中的星系发出的光会像鱼逆流而游一样，被从我们身边拉开。

但是，我们可以看到宇宙微波背景辐射，它却是465亿光年。那么为什么会这样呢？

事实上，我们经常观察到那些在发出我们看到的光时，离我们以光速快速移动的星系。

要理解为什么会这样，你可以想象自己是一个光子。

你被一个距离银河系数百万光年的明亮星体喷射出来。起初，你发现自己位于一个远离银河系以3c（即光速的三倍）速度移动的空间区域。你被那个空间所拖动，因此银河系似乎正在远离你。

不过，因为你一直朝着银河系移动，迟早能够逃离那个以3c速度行进的空间区域。毕竟，那个区域朝着与你相反的方向移动。然后，你发现自己在一个离你的目的地稍微远一点的空间区域，该区域以比3C稍微慢一点的速度远离银河系。你虽然看上去仍然远离银河系，但速度就没那么快了。

如此经过数十亿年，你最终发现自己处于银河系的哈勃视界，那里的空间以1c（你自己的速度）后退。银河系终于停止远离你，当你跨越哈勃视界后，你终于取得了重大的进展。

这时你会发现你距离银河系越来越近——尽管仍有数十亿光年的距离——最终你到达了银河系，然后来到地球，然后掉进一个望远镜，向一群在你开始旅程后很久很久才进化出来的双足类人猿揭示关于你古老起源的秘密。

来自哈勃视界之外的光能到达我们的原因是，在大爆炸之后的前几十亿年，哈勃视界一直在扩大，而星系以大致恒定的速度远离我们，这使得实际上的速度稍微减慢了一些，因此，来自更远物体的光可以地进入哈勃视界，最终到达地球。

顺便说一句，这对我们来说是个好消息——否则我们永远不会看到宇宙微波背景辐射，可能也无法证明大爆炸发生过。

但这种情况不会永远持续下去。

正如刚才所说，宇宙的膨胀正在加速。在某个时候，哈勃视界将停止膨胀并向我们坍缩。光速膨胀的边界最终将围绕银河系的某些星团停止，将我们与宇宙的其余部分隔离开来。

只有在哈勃视界坍缩之前越过它的光才能最终到达我们的视野。在那之后，任何位于哈勃视界之外的光都将永远不会到达地球，这意味着我们将无法观测到更远的宇宙。

要了解宇宙的未来，我们需要掌握更多关于暗能量和暗物质的知识，因为它们对宇宙的膨胀和结构产生了重要影响。科学家们正在努力研究这些神秘的现象，以期解锁宇宙的更多秘密。

尽管我们可能永远无法直接观察到宇宙中的每一个角落，但通过学习和理解我们所处宇宙的基本原理，我们可以继续探索宇宙的奥秘，并扩大我们对这个令人惊叹的宇宙中的现象和结构的认识。

这将帮助我们更好地了解我们在这个宇宙中的地位以及我们如何适应和影响它的未来演变。

事件视界

现在介绍最后的视界——事件视界。这是决定我们对宇宙最终观测范围的视界。它是一个边界，无论我们等待多久，都无法收到超越该边界的任何信号。

事件视界描述了人类在膨胀宇宙中能够收到信号的最远距离。超过事件视界的任何事件或物体都不会影响到我们，因为在这个距离之外的信号在宇宙膨胀的过程中会被拉伸，永远无法传播到我们所在的位置。

事件视界与粒子视界有一定的关联，但它们之间存在区别。粒子视界描述的是我们能够观察到的最远距离，而事件视界关注的是我们能够接收到信号的最远范围。

来自事件视界之外的光在哈勃视界坍缩之前无法到达我们。事件视界开始时比哈勃视界大得多，它的共动距离为630亿光年，但随着时间的推移，它在不断缩小，因为后来释放的光到达我们的时间更少。

目前，科学家估计它的半径约为160亿光年。在大约100亿年之后，事件视界将与正在坍缩的哈勃视界合并。

从那时起，我们将永远无法看到超越这个视界的新事件。

但这并不意味着宇宙会突然变暗，此时，人类能看到的最远距离的光，将在最后关头穿过正在缩小的哈勃视界。这些光子将在接近光速的空间中挣扎，并最终进入我们的局部非膨胀空间。

这时的事件视界的半径为630亿光年，将成为我们粒子视界的最终大小。

我们能看到的极限也就是目前距离我们630亿光年的物质，这大约是我们目前视野的1.5倍。随着光子能量减弱，它越来越红移。

当我们在大约100亿年后首次接近全景宇宙视野时，星系将主要以红外光线闪烁。经过数千亿年后，天空最终会变暗。

这就是人类观测宇宙的极限。