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宇宙空间到底有多大?如果你问一个天文学家,他大概率会回答你三个字
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2022.10.09 四川

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宇宙空间到底有多大?如果你问一个天文学家,他大概率会回答你三个字:不知道!

因为目前没有任何一个观测证据,能帮我们识别出这就是宇宙的边界,也没有任何一个模型可以帮我们划定一个范围,告诉我们这就是宇宙的边界。所以,面对这个问题,没有一个天文学家可以给你一个明确的答案。

那么为什么这个问题是无解的呢?主要有两个方面的原因:首先是宇宙真的很大;其次是我们的观测有限,这个有限不是一时一刻的,而是永远的。我们下面来详细了解一下。

首先,宇宙真的很大。

我们现在能看到的最远的天体,大概在距离我们300亿光年的地方。不过给出这样一个数字,只能让我们知道宇宙大小的下限是300亿光年,对于宇宙大小的上限是多少没有太大帮助。

让我们意识到宇宙非常非常大的,其实是另一件事。不论我们朝向宇宙中的哪个方向去看,物质总量都差不多。天文学里把这种情况叫做“各向同性”,各个方向相同的意思。

即便是朝着夜空中最暗的地方去看,也是如此。2003年哈勃望远镜就曾经朝着天空中最暗的区域持续曝光了113天,拍下了原来看不到的景象。在非常小的区域内,相当于100米外一个乒乓球的大小。就在这么小的区域内,一共拍下来了上万个星系。

从地球看向四面八方,全部都一样,这意味着什么?意味着我们就是宇宙的中心啊。你想,一只蚂蚁,只有站在盘子的正中央时,它看向四面八方才能看到一样的景色。

但是,这和我们天文学的第一性原理冲突。宇宙学原理的本质就是说,我们不特殊,我们不是太阳系的中心,更不可能是宇宙的中心。所以,只有一种可能,就是宇宙这个盘子特别特别地巨大,远远地大于我们的观测范围,所以即便是在盘子的角落里,看向四面八方也都是一样的。

其次,我们观测的范围能有多大呢?是前面说的300亿光年吗?

不是,那是看到的最远天体。如果排除天体这个限定的话,观察范围还要更远一些,是461亿光年。因为在这个距离上,我们接收到了宇宙爆炸的余晖,那就是宇宙微波背景辐射 ,宇宙诞生后第一次释放出的光。

这是我们能够看到的最遥远的光。这不是我们的能力不行,也不是望远镜不够发达,而是更远的光还没有传到地球。

其实,准确地说,宇宙微波背景辐射不是大爆炸发出的光,而是大爆炸后38万年才发出的光,之前的宇宙是不透明的。所以,461亿光年,既是我们实际看到的最远的地方,也是理论上我们能够看到的最远的地方。这已经是我们看到的极限了,所以可以确定宇宙有多大这个问题无解。

其实,看到的最远范围并不是理论上能观测的最远范围,因为观测不一定非要用光。宇宙大爆炸的头38万年虽然不透明,之前的光跑不了多久就被散射和吸收掉了,所以我们不可能看到。

但是可以利用引力波来进行探测,虽然我们现在还没有能力探测到这部分引力波,但是理论上可行。所以把这部分也考虑进来的话,最远可以观测的范围就是465亿光年了,多了4亿光年。

天文学上把这个范围内的宇宙,叫做“可观测宇宙”,代表着我们可以观测的极限范围——465亿光年。

那么“宇宙有多大”这个问题是暂时无解还是永远无解呢?会不会随着人类探测技术的进步,给出一个确切的答案呢?这个问题的答案是否定的。

首先可以肯定的是,突破可观测宇宙不是靠科技发展就能解决的,因为这不是我们人类的能力问题,而是宇宙本身的特征。因为宇宙本身也在不断的膨胀,这里涉及到了一个“退行速度”的概念。

天文学里,把一个天体因为宇宙膨胀而远离我们的速度叫做退行速度。当然这里必须强调一点,退行速度不是天体的运动速度,而是宇宙空间的变化,是允许超过光速的。退行速度不只和宇宙膨胀速率有关,同时也和距离有关。同样的宇宙膨胀速率,距离我们越远的地方,退行速度会越快。

如果一个星球,距离我们非常非常远,远到了它的退行速度比光速还要快。那它传出的任何信息,不论再等多久的时间,都没有办法传到地球。而退行速度超过光速的那个边界,叫做“表观视界”,这就是未来最远可以看到的界面。

620亿光年,根据我们现在的计算,超过这个距离,退行速度将会超过光速。也就是说,如果宇宙继续按照我们预期的样子膨胀的话,这个范围就是我们能够看到的最远的极限,不论是现在还是未来。如果真实的宇宙大于这个范围,那我们将会永远都无法知道宇宙的大小。

所以,宇宙到底有多大?这个问题我们真的不知道,甚至永远都无法知道。奇怪的知识是不是又增加了?
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