1990年,旅行者1号完成了他的任务。它离开了太阳系,踏上了漫长的彗星之旅。然而,在它起飞之前,它接受了一项任务,注定要在未来漫长的旅途中独自享受——拍摄太阳系的全家福。
旅行者1号用它的摄像头拍摄。作为人类第一次真正远离地球,踏入宇宙的飞船,这个全家福意义重大,让人类第一次真正感受到宇宙的广度。
然而,当人类收到这份全家福时,他们发现它对人类来说太小了——地球只占了0.12个像素,在这份新时代的全家福上。
这是人类第一次真正感受到宇宙的浩瀚。
但是这个浩瀚的宇宙边界在哪里呢?
从目前的观察来看,宇宙的边界是一个有争议的问题,但大多数人认为宇宙没有边界。
在相对论的框架中,边界意味着一个超越它的区域是“其他的”,也就是说宇宙之外有一些东西可以影响宇宙,但是根据我们观察到的情况,我们认为这样的东西在观测距离之外是不存在的,宇宙是统一的,完全一样的。
另一方面,宇宙的边界在哪里,又有什么?
如果它是一个物质界面,我们应该可以看到它,但我们没有看到任何这样的迹象。事实上,我们不能直接观察宇宙的边界,因为最远的观察距离只有宇宙第一次辐射爆炸后一万多年的光路长度。如果我们出去,我们根本看不到它,所以我们不知道宇宙之外有什么。
然而,我们也可以观察宇宙的整体特征,这就像我们可以通过把蓝色的盒子放在海里来探测海的整体颜色,这意味着它是一片海,不同于周围的海洋。
因此,这一万多光年的观测半径可以说是宇宙的“识别范围”,也就是说,人类认为这个范围之外的地方是“其他的”,可以被宇宙的同一性原理所忽视。
科学家称这个范围内的宇宙为“可观测宇宙”,认为它是整个宇宙的样本,所以我们可以认为这个范围之外没有使宇宙不同的特征。
换言之,每个宇宙中的点都应该是这个样本中的点,否则就需要对不同的点有不同的特征来解释。
假如宇宙如此一致,那就意味着它没有边界:它在地球上的观测范围内是一样的,在观测范围之外也是一样的。
但科学家们也认为宇宙的大小和形状是一个有界的曲面,这是宇宙的时空结构所告诉他们的。
为了解决这个矛盾,一些科学家提出了一个解决方案:宇宙是一个多层的三维结构。虽然每一层都是有界的,但无限多层的结合形成了一个无限的整体。
即便如此,两层之间也可以连续平滑过渡,这种结构不能用熟悉的二维曲面来描述,因为如果在二维平面上显示无限多层,就会有“峰谷”和“裂缝”,而能显示无限层的曲面则是三维的。
另外一个有趣的矛盾是,宇宙的规模似乎与其理论结构不匹配。
而且更深层次的矛盾是:当人们研究宇宙的尺度时,发现它的结构似乎与分形性质有关。
分形图是一种非常简单的规则,但它表现出极其复杂的图形,可以无限缩小,结构无限精细。由于无限缩小,分形图形的长度和面积可以无限大,与宇宙的结构完全一致。
但是,这并非最令人惊讶的,更难理解的是,在宇宙中,分形结构并非出现在微观世界中,而是出现在宇宙尺度上。
这个看起来很奇怪,但如果人们花时间去思考,就会发现宇宙中蕴含着许多与微观世界非常相似的惊人秘密。
量子力学描述了微观世界的规律,这些规律都是在很小的尺度下产生的,例如原子的尺度,基本粒子的尺度。
虽然这些规律很复杂,但它们与宏观世界的规律有点熟悉:它们都有自相似之处。
也就是说,这两个尺度上的世界规律实际上是一样的,只是尺度不同而已。
宏观世界是在一个比微观世界大得多的尺度上产生的,这个尺度更适合人们理解。因此,人们更容易想象它是一个“大”的世界,而不是一个“小”的世界,这使得人们认为微观世界与宏观世界完全不同。
然而,宇宙的规模从来没有被人类理解过,因为宇宙太大了,人们甚至认为宇宙不像微观世界,没有规律,没有结构。它们都是大星星和星系,所以宇宙的规模可能和微观世界的规模有很大的不同。
然而,在过去一个世纪观察宇宙的过程中,人类发现宇宙确实存在规律,这些规律与微观世界的规律惊人地相似,于是人们开始思考宇宙的结构,最终发现宇宙的结构与分形有关。
事实上,人类已经发现这种结构,人们从未想过它可能是分形的。即使在20世纪,当人类第一次学会研究宇宙时,他们普遍认为宇宙是无限扩展的。
然而,人们发现宇宙的光谱有一种不正常的现象,这种不正常的现象被称为“分形谱”,它与经典的连续谱和离散谱有很大的不同,人们发现它是一种复杂的谱和经典谱介于两者之间。
用经典的数学工具证明这种谱是分形谱,这意味着宇宙的结构是有界的。
20世纪70年代,随着人类技术的进步,人们开始观察和测量宇宙的结构,发现宇宙的结构非常复杂,人们不禁猜测宇宙的结构是分形的。
众所周知,分形是一种非常复杂的工具,虽然它有自相似之处,但在不同的尺度上观察它能产生完全不同的结构,这使得它很难理解。
然而,它可以通过数学和计算机进行研究。早在20世纪60年代和70年代,人们就使用这些工具来分析各种各样的东西,但这些工具非常有限,这使得人们无法像宇宙一样分析大的物体,因为分形现象只会出现在非常大的尺度上。
这使得人们思考解决方案,最终决定在计算机上模拟宇宙的结构,这样人们就可以使用计算机工具对宇宙的结构进行分析,并在一定程度上了解宇宙的结构。
然而,计算机也有局限性。人们只能在有限的尺度上模拟它。在有限的尺度上,人们只能看到宇宙的一些结构。然而,当人们模拟它时,他们发现不同尺寸的结构有相似的形状和分布,甚至有相似的表现。
当人们思考这是怎么回事时,他们最终发现这是一个分形的特征:它在不同的尺度上是相同的,这意味着人们可以通过一小部分宇宙来了解整个宇宙。
这可以看作是一种加速器,让人们在了解宇宙细节的同时,也能了解宇宙的整体。就像人们可以在一个小盒子里放一个蓝色的盒子来探索大海的整体颜色一样,也就是说人们可以放大观察空间,缩小观察宇宙的空间,这样人们在观察宇宙的时候就可以放开想象中的空间。
地球只是1990年拍摄的全家福中的一个小蓝点,但放大宇宙结构后,人们发现它具有惊人的分形性,这就是宇宙的放大。
放大宇宙的结构后,我们可以看到宇宙的形状在不同的尺度上是相同的,但宇宙的现象是不同的。然而,人们仍然可以通过不同的尺度来理解整个宇宙的规律,因为宇宙的规律在所有的尺度上都是相同的。
这一神奇现象使人们开始思考宇宙的结构到底是怎么回事,最后一位科学家提出了分形理论,这一理论认为所有的客观形成物都是分形的,所以宇宙和微观世界是一样的,都是分形的。
这个理论可以解释宇宙和微观世界的自相似性,但它本身也很神奇,因为分形是简单规则的结果,这个理论包含了意想不到的秘密。
宇宙中的分形结构有一个非常简单的规律,但它们会使其结构在许多尺度上非常复杂,有时甚至很难理解。而且它的每个尺度结构都是相互关联的,不可能把它们分开。
这个理论和微观世界的规律只有一个共同点:它们都包含着巨大的复杂性。
它们之间有着更神秘的联系,但人们仍然不清楚,甚至不清楚它们是否是统一的物理规律。
尽管人类已经有许多新的观测方法,但人类对宇宙的认识仍然受到限制,这些限制不仅仅是因为人类的技术和观测工具有限,更是因为人类对宇宙的认知有限。
未来,当人类对宇宙有了深刻的认识,人们可能会对分形理论有更深入的了解,也可能会发现宇宙和微观世界之间存在一些联系,这将是人类的巨大进步和发现。
正是因为宇宙不仅是一个巨大的宇宙,也是一个神秘的宇宙,所以人们总是对它充满好奇,让人类在探索宇宙的道路上永远不会孤单。
对宇宙有更深的理解,对人类更有价值,这不仅是因为宇宙是人类唯一生存的地方,也是因为在人类探索宇宙的过程中,会发现很多发现,这些发现对人类可能有很大的帮助。
通过了解宇宙的结构,我们可以了解宇宙的起源和发展,或者我们可以找到物理规律来解释人类的意义,从而拓展人类的思想。这些都是前人所没有的,对人类也会有很大的帮助。
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