可觀測宇宙有多大？
The history of cosmology shows that in every age devout people believe that they have at last discovered the true nature of the Universe.
—— E. R. Harrison (1981）
【宇宙的大小】
光速是宇宙中最重要也最基本的一個性質，它被應用在各個方面，比如距離測量、通訊以及出現在各種公式之中。在真空中，光的傳播速度等於299,792,458米每秒，光是體驗不到時間的流逝的，而且光速是不變的。簡單來說，在宇宙中沒有任何物體可以運動的比光還快。
但如果是這樣，當我們說宇宙的年齡是138億年的時候難道它的大小不也應該是138億光年嗎？有許多人對此感到困惑。根據今年八月份的一項最新計算，宇宙的大小要要比先前認為的在各個方向縮水3.2億光年，但它的半徑依然達到453.4億光年。而這僅僅是我們可以看到的宇宙，我們看不見的部分或許有無限那麼大。
可觀測宇宙（Observable Universe）的大小，我們無法知道不可觀測部分的大小。
如果宇宙的年齡只有138億年，並且沒有任何東西可以運動的光速快，那麼453.4億光年的大小是怎麼計算出來的？
【理解紅移】
在你理解為什麼宇宙的大小要比年齡大那麼多之前，我們首先需要了解的是光是如何運作的。
第一個真正理解什麼是光的科學家是牛頓，雖然更多人知道的是他提出了萬有引力和發明了微積分。當一束白光（來自太陽火其它恆星）穿過稜鏡的時候，我們會看到它被分解成不同顏色（不同波長）的光。這個簡單的原理使我們能夠觀測來自遙遠的星光，並且通過光譜，我們就可以知道關於恆星的許多信息，比如恆星的成分和溫度等。
對光更詳盡的討論可閱讀《上帝說：「要有光」，就有了光。那麼光究竟是什麼？》
1842年，奧地利物理學家多普勒發現了所謂的多普勒效應。該效應解釋了為什麼來自遙遠的星光有些偏向電磁波譜中的紅色端，而有些則偏向藍色端。
上：實驗室中的光譜；中：紅移；下：藍移。（ NASA）
簡單來說，根據多普勒效，當我們接收到來自遙遠的星光時，我們可以知道輻射源是朝向我們運動的或者是遠離我們運動的。更精確的說，如果物體遠離觀測者，那麼光波會被拉長，因此看起來偏紅色（波長較長，能量較低）。如果物體朝著觀測者運動，光波就會被壓縮，因此顯得更藍（波長較短，能量較高）。
遙遠星系的吸收光譜。（Chano Birkelind）
隨著天文觀測技術的不斷發展，天文學家發現遙遠星系輻射出的波長都發生紅移（因為它們正遠離我們）。但這些星系不僅在遠離我們，而且它們的紅移在增加，意味著它們遠離我們的速度越來越快。這就是哈勃定律。這使我們相信宇宙並不是靜止不動的，而是正在膨脹！
哈勃定律，來自遙遠星系光線的紅移與它們的距離成正比。左邊是哈勃的原始數據，右邊室現在的觀測數據。相比之下，結果的不確定性大大減少。（Liverpool John Moores University）
【理解宇宙的膨脹】
對紅移的觀測顯示相對於一個附近的星系，如果一個物體離它三倍遠，它遠離的速度也快三倍。也就是說我們看的越遠就會發現星系遠離我們的速度越快，快到足以超越光速。但是，我們之前說了，光速是宇宙中速度的極限。所以這怎麼可能？
隨著宇宙膨脹，星系間的距離越來越大。(James N. Imamura of U. of Oregon）
首先我們要記住，雖然我們所能觀測到的宇宙有一個邊緣，但是真正的宇宙大小要遠超過我們所能理解的。
這個邊緣稱之為「可觀測宇宙」。可觀測宇宙包含了數量驚人的超星系團、星系群、超大星系、矮星系以及恆星和行星。如果所有的這些被擠進一個138億光年大小宇宙，那可能會顯得有點擁擠。對可觀測宇宙的一個常見誤解就是認為它的大小應該是年齡乘以光年。
為了更好的理解宇宙的膨脹，我來簡單舉個例子。先看下圖：
宇宙膨脹。（Astronomy Magazine 2007）
在圖中，可以看到有一些星系團，由於宇宙的膨脹它們之間相互遠離。想像一下我們在星系團的中間，我們對左下角的星系團進行觀測。當光從左下角的星系團中離開時（左邊圖），星系團離我們的距離大約為8700萬光年。光開始向我們傳播，但是記住，宇宙正在膨脹。這意味著我們和星系團之間的距離正在變大。光持續向我們傳播，但是由於距離不斷的增加，光到達我們時所傳播的距離要比8700萬光年更大。當光終於到達的時候（右邊圖），星系團已經距離1.73億光年遠！
因此關鍵問題在於：光究竟傳播了多遠？最簡單的答案自然是大於8700萬光年，但小於1.73億光年！
現在，我們可以把這個情況應用到整個宇宙之中。
暴脹模型。（Nature Magazine）
在約138億年前，宇宙「突然」出現，在一個極其短暫的時間內經歷空間以超越光的速度膨脹，這個時期稱為暴脹（Inflation）。宇宙從一個非常熾熱和緻密的狀態，轉變成廣袤的空間，並且產生了各種各樣的能量來源：輻射（比如光子），物質（像質子、中子和電子）和空間的內在能（暗能量）。如果在膨脹的宇宙中只充滿了其中的一種能量類型，當你詢問一個物體發出來的光到達我們時那個物體究竟有多遠，我們會得到三個不同的答案。比如，如果宇宙在任何時候都是由物質主導，那麼光在經歷138億年傳播到我們的時候，宇宙的大小為414億光年。但真實的宇宙中其實混合了這三種能量，而且會隨著時間改變。
在不同的時間，宇宙被不同形式的能量主導。（Ethan Siegel）
在最初的時候，宇宙由輻射（以光和中微子的形式）統治。在那之後，物質（普通和暗物質）開始接管，並持續了幾十億年。直到後來，在太陽系和地球形成之後，暗能量才成為了主導勢力。要記住，在約138億年前，我們整個可觀測宇宙要比今天的太陽系還小！
不同時期宇宙的大小。橫軸代表宇宙的年齡（單位為年），縱軸代表宇宙的大小（單位為光年）。最後宇宙突然變的越來越大是由於暗能量的作用。（Ethan Siegel）
總結來說，廣義相對論告訴我們空間、時間和宇宙中所有的物質和能量之間的關係，這就意味著如果我們能夠知道宇宙中都有些什麼，以及如果我們能夠正確的測量宇宙是如何膨脹的，我們就可以知道宇宙在過去、將來的任何時刻有多大。
其實，大多數人對可觀測宇宙的大小會感到困惑是因為對相對論的錯誤理解。根據相對論，一個物體在時空中相對於某個參照物無法運動的比光速還快。但是，它沒有限定空間本身不能夠超光速膨脹。因此，空間的大小跟基本物理學並沒有任何衝突。這是因為星系自身（以及任何在空間中的物體）並沒有違反物理定律，因為它們並沒有超光速在空間中運動。而是空間——即在星系、恆星、行星、你和我之間的區域——的每個部分都在不斷地膨脹和拉伸。
文/Zwicky 原理
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