宇宙是否是無限的?它到底有多大呢?

衆所周知,我們的宇宙正在不斷地向外擴張,因爲,除了一些我們的鄰居星系以外,幾乎在這個宇宙中的所有星系都在離我們漸漸遠去,並且互相之間也是漸行漸遠,不僅如此,越遠的星系越會加速淡出我們的視線,這些證據無一表明:宇宙正在以逐漸增高的速率,舒展它的身體。


宇宙是否是無限的?它到底有多大呢?


自從大爆炸以來,宇宙持續不停地膨脹,現更加速膨脹。從大爆炸形成的宇宙演化圖解(左)。在這幅圖中宇宙以二維呈現,第三維度是時間,向右是時間流動的方向。

多數觀測表示,在最初的幾十億年間,宇宙膨脹的速率是比較慢的,但是大約在八十億年前,膨脹開始加速。如果這種加速一直持續下去的話(似乎很可能是這樣),我們的宇宙將永遠不會放慢它擴張的腳步或是坍縮。

這和“平坦”宇宙的理念是相一致的,是目前最能被接受的理論。

然而,空間平坦的宇宙可以作爲有限或是無限宇宙的特徵。我們通常所說的“空間平坦”,是指該空間服從歐氏幾何學:平行線永不相交,三角形內角和爲180度。我們可以將宇宙想作是一個無限大的二維平面(就像一張無限大的紙),但同時,我們也可以想象着自己是上帝,拿起宇宙這張紙把它捲成一個圓柱,然後再把它頭尾相連變成圓環面(像甜甜圈一樣)。圓環的表面在空間上是平坦的,和紙張一樣,卻是有限的。然而,隨着擴展,即使現階段的宇宙擁有巨大卻有限的體積,它也有可能在無限遙遠的未來達到無限大的體積。


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太陽系在可觀測宇宙的位置。

基於各種物理侷限性和我們能接受宇宙中各類事件信息的程度,宇宙學視界界定了我們的宇宙可觀測的界限。其中最知名的是粒子視界,它界定了可視宇宙的精確範圍(鑑於有限的宇宙年齡)。其他的宇宙學視界和未來觀測範圍相關(在距離上大於粒子視界,因爲考量到了宇宙膨脹的因素)。

目前已觀測到的宇宙大小


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哈勃太空望遠鏡拍攝的月球背後一小塊區域深空圖(其中最古老星光幾乎等同宇宙的年齡)

另一方面,我們能觀測到的宇宙確實有一個明確的尺寸。因爲宇宙誕生於138億年前,我們只能觀察到138億以前發出光線並抵達至地球的物體。這部分宇宙被稱爲可觀測宇宙,它是宇宙中我們唯一所瞭解到的部分。


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藝術家對可觀測宇宙的對數尺度構想,以太陽爲中心,朝外是太陽系內行星和外行星,柯伊伯帶,奧爾特雲,南門二,獵戶臂,銀河系,仙女座星系,鄰近星系,宇宙纖維狀結構,宇宙微波輻射以及處在邊緣的不可見的大爆炸等離子體。

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這是對可觀測宇宙大小最普遍的誤解之一。儘管宇宙年齡是138億歲,但因爲宇宙膨脹,到可觀測宇宙的邊緣並不是138億光年。圖爲位於紐約市羅斯地球與太空中心的一塊牌匾。

但由於宇宙膨脹,可觀測宇宙的半徑並非是138億光年,目前估計的計算將其定爲大約460億光年,這是在共同移動的座標系下進行的估算,也從另一方面闡釋了宇宙膨脹。隨着宇宙慢慢變老,我們將漸漸揭開遠方未知宇宙的面紗。


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可觀測宇宙的模擬全圖,室女座超星系團位於中心位置,但因過於渺小以至於看不見。宇宙大尺度結構在三度空間視覺化的哈勃體積 (球)。在這個尺度中每一個細小的光點代表的都是超星系團。室女座超星系團-我們的星系的家-位於我們的哈勃體積的中心,但是在圖中實在是太小了,因而難以看見。

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