宇宙的大小怎麼理解,它到底有多大?

2020-12-13 時空通訊

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

宇宙有多大?

這是一個可以很簡單回答,也很複雜的話題。

簡單回答,根據目前科學界廣泛共識,認為宇宙的年齡約138.2億歲,可觀測宇宙半徑約465億光年。

宇宙就這麼大。

但我們老聽說可觀測宇宙,那麼不可觀測宇宙還有嗎?

有,當然有。

一般認為,這個不可觀測宇宙是宇宙有兩個視界,一個是過去視界,一個是未來視界。

過去視界是指宇宙大爆炸初期的,電磁波不透明時代。

那時的宇宙處於高溫高密狀態,對電磁波不透明,導致這一部分宇宙我們無法觀測到,這個宇宙到底有多大,我們不知道。

這個宇宙不透明時間約38萬年。宇宙大爆炸後38萬年,宇宙的密度和溫度才達到了中性原子形成的條件,這個時候宇宙開始變得透明。

開始這種透明還只是給微波開了一個口子,在後來的十餘萬年中,可見光才衝破氫原子和電離阻隔,漸漸脫耦而出。

所以人類觀測到的世界就到此為止,現在觀測到最早的宇宙就是微波背景輻射。

宇宙大爆炸38萬年內,經歷了膨脹和暴漲,當時的膨脹速度和暴脹速度有一個估計,但並不一定準確,所以不知道這個過去視界有多大。

未來視界是距離我們最遠的宇宙高速離我們而去的部分。

宇宙整體疊加以高於光速3倍多的速度膨脹,也就是距離我們很遠的星系之光將永遠到達不了人類的視野,因此這部分宇宙人類永遠也觀測不到。

這個未來視界有多大,人類也無法知道。

所以,人類要知道包括過去視界和未來視界的宇宙到底有多大,目前的理論還不具備這個條件。

引力波被證實,為了解過去視界帶來一線曙光。

有一種理論認為,現在引力波已被證實存在,為將來了解過去視界提供了一個重要的觀測條件。

因為雖然宇宙大爆炸初期環境對電磁波不透明,但引力波是封鎖不住的,到時候引力波會給我們透露大爆炸那黑暗的一段時期的秘密。

我們拭目以待。

但即便有引力波探測,也無法對未來視界進行了解。

這是因為光速是最快的,引力波也是光速,既然光都無法傳遞過來,並不是由於不透明,而是由於速度悖論,因此引力波也傳不過來。

除非今後有新的理論突破,否則,人類永遠都不知道未來視界是個什麼樣子。

現在我們來說下對宇宙大小的理解。

在很多宇宙模型中,尤其是微博背景輻射模型,宇宙看起來就像一個雞蛋。

但我們千萬不要把宇宙真的比喻為一個雞蛋,以為宇宙這個雞蛋也有一個蛋殼,那個蛋殼就是宇宙的邊界,突破了那個殼,我們就可以出了宇宙了。

有人認為,我們現在只是由於速度限制,在光速面前,我們現在每秒百十千米的宇航速度還不如蝸牛爬行,因此465億光年半徑的可觀測宇宙,我們世世代代永永遠遠也無法爬出。

只要突破光速限制,比如實現了曲速跨越、蟲洞穿越,就有可能突破宇宙的蛋殼。

這是一種錯誤的認知。

實際上我們宇宙的「蛋殼」是引力場。

根據愛因斯坦引力場論,我們宇宙實際上是一個巨大曲率中的「蛋」,這個蛋不是靠蛋殼來劃定邊界的,而是曲率,通俗點說就是引力場。

我們可以想像,宇宙從一個奇點大爆炸產生,但這個奇點並沒有炸碎了,而是像氣球一樣的膨脹起來了,事實上,我們宇宙就是奇點的脹大。

我們都還在這個奇點上,因此就像我們在地球表面,受到地球引力約束,我們怎麼走,也走不出地球的邊界。

如果足夠快的速度足夠長的時間,最終只能夠走回原點。而我們的感受是並沒有轉圈子,而是走直線,一直朝前走,就走回了原點,走得路線越直,回來得越快。

宇宙當然不是地球,宇宙的引力場是看不到實體的,是時空的扭曲,連光線也是順著這個曲率前進的。

而且宇宙之外不像地球之外,還有時空和物質存在,宇宙之外是沒有時空物質的,宇宙就是在這一片虛空中捲縮著,並膨脹著。

你將一縷筆直的光線向前方射出,假定它不衰減和受阻一直傳遞下去,如果宇宙是一個半徑465億光年的正球體,那麼這縷光線在未來2921億年後就會射到你的背上。

有人說宇宙是無邊無際,實際上我們可以理解為宇宙有際無邊。理論上有一個際,但實際上我們感受和看不到這個邊在哪。

宇宙就是這麼大,就是這麼一個樣子。

不過關於宇宙形狀的理論,現在還有很多,都只限於數理建模的邏輯猜想,尚無定論。

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