宇宙有多大？這些科學常識你需要了解

宇宙有多大?

在天體物理學中，沒有比空間有多大這個問題更大的實證問題了。下文簡述的就是有關宇宙的大小和形狀的觀念史。

空間大得令人難以置信;但是也沒什麼好擔心的。

道格拉斯·亞當斯在《銀河系旅行指南》中這樣描述：「空間巨大、超大、無比大，大得令人難以置信。我的意思是說，你可能認為道路漫長，最終在化學家那裡落腳，但這只是滄海之一粟。」

從某種意義上說，宇宙的邊緣很容易標記出來：即一束光從時間的開始可能飛越的距離，除此之外我們無法觀測。也就是說，超出了所謂的「可觀測宇宙」。你會猜測，從宇宙中心到邊緣的距離就是宇宙的年齡(138億年)乘以光速：138億光年。

可是，空間一直在延伸，正如機場的自動人行道讓大步流星的乘客的前行速度更快一樣，空間的移動通道也加速了光的飛越。結果發現，自時間開始的138億年里，我們的可觀測距離達到了463億光年;如果我們看到的這束光的起點是宇宙大爆炸的奇點，那可觀測宇宙的直徑就是926億光年。

愛丁堡大學天文學家安德魯·利德爾說：「由於沒有比光速更快的東西，所以原則上任何事情都可能發生在可觀測宇宙之外。宇宙可能會終結，但是我們無法知道。」

但是我們有充分的理由懷疑整個宇宙(區別於可觀測宇宙)比我們所能觀察到的部分要遙遠得多，而且有可能無限遠。那麼，我們怎麼能知道它們是在可觀測宇宙之外呢?

想像一下在魚缸里遊動的細菌。它怎麼才能知道看似無限的世界的真實程度呢?透過玻璃曲面的光線形成的扭曲可能會提供一條線索。同樣，宇宙的曲率也告訴了我們它的最終尺寸。

帝國理工學院的天體物理學家羅伯特·特羅塔說：「宇宙的幾何形狀可以有三種不同的類型。它可以是封閉的(像一個球體)，開放的(像一個馬鞍)或平坦的(像一張桌子)。」

封閉的幾何意味著宇宙是有限的，而另外兩個在理論上就意味著宇宙是無限的。

測量宇宙曲率的關鍵是宇宙微波背景輻射(CMB)，即宇宙大爆炸40萬年後的等離子火球散發出來的光線。這是我們的宇宙年輕時的快照。

古代的地理學家曾經利用地球地平線的曲度來計算我們星球的大小;同理，天文學家正在利用我們宇宙視野的曲度來估量宇宙的大小。

關鍵是利用衛星來測量宇宙微波背景不同特徵的溫度。這些特徵在宇宙微波背景上造成的扭曲被用來計算其幾何。特羅塔說：「因此，確定宇宙的大小和幾何可以幫助我們確定整個宇宙剛剛誕生時發生的事情。」

自20世紀80年代末以來，三代衛星已經繪製了宇宙微波背景圖，解析度不斷提高，對宇宙曲率的評估越來越精細。最新的圖像發佈於2013年3月，數據來自歐洲航天局的普朗克望遠鏡，其估計的曲率完全平坦，測量精度至少在±0.4%之內。

宇宙的極端平坦性支持宇宙膨脹理論。這個理論認為，宇宙誕生之後10 -36秒，宇宙膨脹得像一個氣球，在擴張和平伸其表面特徵時膨脹了許多個數量級。

雖然±0.4%的誤差意味著我們不能確定，但完美的平坦度很可能意味著宇宙是無限的。宇宙仍然有可能是有限的，但非常大。特羅塔和他的同事使用普朗克數據研究出現實宇宙的最小尺寸至少是可觀測宇宙的250倍。

下一代望遠鏡應該能夠改進普朗克望遠鏡的數據，是否會給出宇宙大小的明確答案還有待觀察。位於智利的微波望遠鏡新CLASS陣列項目的負責人查爾斯·本奈特說：「我仍然會把宇宙想像為幾乎非常平坦的，但還不是很有信心。」

事實證明，由於背景雜訊，無論望遠鏡功能有多麼強大，精確地測量宇宙曲率仍然很難。2016年7月，牛津大學的物理學家發現我們恐怕不能測量低於大約0.01%的曲率，所以我們還有一段路要走。儘管目前已經有了不錯的測量結果，很多物理學家都認為宇宙可能是無限的，但少數充滿激情的人拒不接受這種觀點。

英國偉大的物理學家保羅·迪拉克說，物理學界最重要的挑戰是擺脫無窮無盡這個概念。哥倫比亞大學天體物理學家揚娜·萊文在其2001年的回憶錄《宇宙中的星星點點是怎麼來的》中指出：「自然界沒有觀察到無窮無盡;科學理論中也無法容忍無窮無盡。」

那麼，物理學家為什麼總是認為宇宙本身可能是無限的呢?這個想法可以追溯到物理學的奠基人。比如說，牛頓推論，基於他的引力定律，宇宙肯定是無限的。根據這個定律，宇宙中的一切都有吸引作用。但如果是這樣的話，宇宙最終將被拉向一個點，就像一顆恆星由於自身的引力而最終坍塌一樣。這與他堅信宇宙一直存在的觀點不一致。所以，他認為，唯一的解釋是無限性，即所有方向上的同等拉力將保持宇宙靜止並永恆。

250年後的20世紀初，阿爾伯特·愛因斯坦同樣設想了一個永恆無限的宇宙。他最宏大的宇宙論——廣義相對論——在無限的時空中展現出來。

從數學上來講，提出一個永遠持續的宇宙比處理邊緣要容易得多。然而，無限是不真實的，是誇張的，很荒謬。

阿根廷作家豪爾赫·路易斯·博爾赫斯在他的短篇小說《巴別塔圖書館》中設想了一個無限的圖書館，裡面收藏著所有剛好410頁的圖書：「每一行直言不諱、合乎情理的話，總是有一團團不合情理、不和諧、雜亂的詞語以及前矛後盾。」因為字母的組合有這麼多的可能性，可能寫出來的書數量有限，所以圖書館本身註定會不斷重複。

一個無限的宇宙得出類似的結論。因為原子在空間的排列方式實在太多，即使在直徑930億光年的空間中，無限的宇宙也要求必須有與我們所有方面完全相同的另一個巨大的空間區域。這意味著存在另一個銀河系，另一個地球，另一個版本的你和另一個版本的我。

麻省理工學院物理學家馬克斯·泰格馬克已經運行了這個數字。他估計，在一個無限的宇宙中，與我們相同的宇宙片區出現的頻率可能是每10 10115米(一個非常龐大的數字，1後面0的個數比可觀測宇宙中的原子數還要多)一次。所以，別擔心逛商店時會碰到另一個你。可是萊文還是不接受：「是由於傲慢或邏輯使我相信這是錯誤的嗎?只有一個我，也只有一個你;宇宙不能是無限的。」

萊文是從新的角度來看待廣義相對論的首批理論家之一。她沒有考慮描述空間形狀的幾何圖形，而是考慮了它的拓撲結構：連接的方式。她認為，所有關於平坦的、封閉的或開放的宇宙的假設只適用於巨大的球形宇宙，其他形狀從拓撲角度來說可能呈扁平狀，並且仍然是有限的。

斯蒂芬·霍金在《辛普森一家》1999年的一集中說：「你對甜甜圈形宇宙的想法是有趣的，我可能得盜用這個主意。」實際上，這個節目的作者已經盜用了萊文的想法，萊文於1998年剛發表了她對甜甜圈形宇宙的分析。

她指出，從拓撲角度來說，環狀實際上是零曲率，因為內部的負曲率與外部的正曲率相平衡。因此，在宇宙微波背景測量的(近)零曲率與一個平坦的表面一樣，與這個甜甜圈一致。

萊文意識到，在這樣一個宇宙里，你要乘坐太空船才可能穿越宇宙，回到自己的起點。這個想法對目前在蒙大拿州立大學工作的澳大利亞物理學家尼爾·考尼什是個啟發，去思考來自宇宙微波背景的最古老的光如何環繞宇宙。如果這個環狀宇宙低於閾值，那就會形成一個能夠說明問題的跡象，考尼什稱其為「空中的圈」。可惜，2001年宇宙微波背景輻射的數據從威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)返回時，並沒有發現這樣的痕迹。這並不完全排除甜甜圈理論，但確實意味著如果宇宙是個甜甜圈，那就是一個超級巨大的圈。

試圖直接證明或反駁宇宙無限性的做法似乎將我們引入了一條死胡同，至少在現有技術條件下是這樣。但考尼什認為，我們可以通過推理做到這一點。膨脹理論在解釋我們宇宙的主要特徵方面很有說服力，膨脹的多個分支之一就是多元宇宙理論。

這種理論，當你第一次聽到的時候，似乎是一個喜歡發揮擴展思路的科幻小說作者想出來的，實際上，它是由有影響力的斯坦福大學物理學家安德烈·林德於20世紀80年代首次提出的。林德與麻省理工學院的艾倫·古思和俄羅斯朗道理論物理研究所的阿列克謝·斯塔羅賓斯基都是膨脹理論的設計師。

古思和斯塔羅賓斯基認為，大爆炸之後的第一個極其短暫的分裂時期就已經出現了膨脹;林德認為這種膨脹一直在繼續，而且新的宇宙如同姜的根一樣永遠不斷地發芽。

自此之後，林德表明「永恆的膨脹」可能是任何膨脹模式不可避免的一個組成部分。這種永恆的膨脹或多元宇宙模式對林德很有吸引力，因為它解決了所有最大的奧秘：為什麼物理定律看上去經過了微調以便允許我們存在。

引力的強度足以讓穩定的恆星形成並燃燒，電磁力和核力正是原子形成、複合體分子發展和我們誕生所需的力量。

在每個新生的宇宙中，這些常數都是隨機分配的。 在有些這樣的宇宙中，引力可能非常強大，大到了大爆炸之後立刻崩塌;在其他宇宙中，引力卻非常弱，弱到氫原子永遠不會凝結成恆星或星系。隨著無數新宇宙的萌生和滅絕，偶然會跳出一個適合生命演化的宇宙來。

多元宇宙理論有其批評者， 特別是膨脹理論的創始人之一保羅·斯坦哈特，他於2014年告訴《科學美國人》：「科學思想應該簡單，具有解釋性和預測性。目前我們理解的膨脹多元宇宙似乎沒有這些屬性。」與此同時，亞利桑那大學的保羅·戴維斯在《紐約時報》上寫道：「援引無數看不見的宇宙來解釋我們看到的不尋常特徵，就跟援引一個看不見的造物主一樣特別。」

但是，從另一個角度來說，多元宇宙在兩種膨脹模型中比較簡單。正如查爾斯·達爾文的自然選擇理論解釋了物種的起源，用幾個方程式或者僅僅幾句話，多元宇宙論給了我們解釋我們宇宙起源的機制。正如馬克斯·泰格馬克說的那樣：「我們發現，我們的判斷歸根結底是更加浪費且越來越不雅：要麼是許多世界，要麼是許多詞語。」

為了解決這個問題，我們需要更多地了解宇宙第一個短瞬間發生了什麼。也許引力波將給出答案，通過它「聽到」大爆炸本身的震動。

不論無限還是有限，也不論單一還是無數之一，宇宙肯定是一個令人費解的地方。它帶我們回到《銀河系漫遊指南》：「如果有什麼真正的事實，那就是有一夥瘋子在經營這個宇宙的整體多維無限。」

Science科學創建者shkoh chao：國家計算機高級工程師，業餘天文學家和科普工作者。新浪微博認證博主，今日頭條認證科普作者，頭條問答簽約作者，騰訊企鵝科普達人，UC頭條認證科普作者，鳳凰新聞科技頻道科普作者。每天多篇前沿科學科技資訊讓你掌握一手科學信息。多篇科學探索文章，擴充你的腦容量，讓你成為大神般的十萬個為什麼的解密者。

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