宇宙非常大,大到我們無法知道宇宙的確切大小。我們通常所說的「宇宙半徑為465億光年」是指可觀測宇宙的範圍,因為空間在超光速膨脹,宇宙的存在時間和光速都是有限的,所以遙遠宇宙中的光還沒來得及到達地球,我們無法觀測到。我們只能看到可觀測宇宙之內的情況,所以我們通常所討論的宇宙是指可觀測宇宙。
在可觀測宇宙中,包含多少天體?總質量會有多大?
我們生活在太陽系中,太陽是我們的主恆星,它包含了太陽系中的絕大部分質量,太陽的質量相當於地球的33萬倍。太陽系之外還有十分廣闊的世界,太陽與其他上千億顆恆星、以及大量的星雲組成了銀河系。在可觀測宇宙中,可能還有多達2萬億個星系,幾乎每個星系都包含著數以億計的恆星。
如果把可觀測宇宙中的所有天體與星雲加起來,其總質量將會達到10萬億億億億億億(10^53)千克,相當於太陽質量的500萬億億倍,地球質量的1.65萬億億億倍。既然宇宙的質量這麼大,宇宙的密度會有多大呢?
通過計算可知,可觀測宇宙的平均密度約為2.8×10^-28千克/立方米。由此可見,宇宙浩瀚無垠,空間大部分都是空的,天體之間相距都非常遙遠。
以銀河係為例,雖然銀河系看起來充滿了恆星,但平均每隔4光年(38萬億公裡)才會有一顆恆星。而星系與星系之間的空間更是空曠,動輒數萬光年至數十萬光年。放眼浩瀚的宇宙,星系不過是汪洋大海上的一座座孤立小島。
即便是太陽系內的空間,也是空蕩蕩的。正因為如此,旅行者1號及其他幾艘能夠飛出太陽系的無人探測器可以在太空中一直飛行,而不會撞上其他天體,它們不需要提前做好預警來避開宇宙中的天體。
相比之下,如果1立方光年的空間中裝滿水(太陽系的半徑為1光年),其總質量將會高達8×10^50千克,相當於太陽質量的4萬億億倍,銀河系質量的8億倍,可觀測宇宙質量的千分之八。
通過計算可知,只要體積為125立方光年的水,其質量就會達到整個可觀測宇宙的總質量,結果有些出人意料。125立方光年的範圍在宇宙中非常小,也就一個邊長為5光年的立方體,我們在地球上通過肉眼能夠看到幾十甚至幾千光年外的恆星,而銀河系的範圍至少有10萬光年。
不過,可觀測宇宙中沒有那麼多的水。而且5立方光年的水不會像地球上的海洋那樣存在,它們無法保持正常的狀態,而是會發生強烈的引力坍縮,所有的水被壓縮到無限小的奇點中,形成一個黑洞。
根據史瓦西半徑公式,可以算出這個黑洞的半徑約為166億光年。在這個巨大範圍內,光都會被束縛在其中,無法從中逃脫出去。
幸運的是,我們的宇宙並沒有把所有的物質聚集在一起,而是分散在廣闊的空間中,它們可以保持正常的狀態。