宇宙直徑已達930億光年?但相比于宇宙之「外」,其實它小如原子

圖片所展示出的 景象很震撼,不是嗎?圖片中從內向外展示了在觀測尺度中的宇宙景色, 最中心是太陽系,最外邊看起來像藤曼一樣的物質其實是可觀測宇宙的最邊界。

之所以呈現出這樣的顏色,是圖像被做了一定的處理,它們都是超[大尺度]下的巨觀宇宙中的 超星系團,每一處藤曼都代表著一片星系。

根據科學家們過去的觀測, 我們的宇宙尺度在觀察范圍內的直徑已經達到了930億光年,通過對天體的電磁輻射和宇宙誕生的時間推測,科學家們認為可觀測宇宙中可能有2萬億個星系。

這還不是全部,如果從宇宙本身這個概念出發, 我們所了解到的宇宙規模實際上相比宇宙之「外」(尚未能觀測到的宇宙),如同原子一般小。

可以這麼說,從「可觀測」這個角度看, 宇宙中任何一個位置都可以看作是觀測中心,至于為什麼探測不到邊界,以及可觀測范圍宇宙如同原子一般小,這需要從多個方面來解釋。

美麗的宇宙

文章接下來會從宇宙的觀測模型、宇宙膨脹、粒子世界,以及可能的事件中來對此進行詳細解答。

觀測在時間和空間上的變化

人類對宇宙的觀測並不是說在可觀測這件事上被限制,而是速度最快的光,其自身也有局限性光速的物理極限決定了信號傳輸不能超越光速,因此它也存在一個最大距離。而超過這個距離就無法檢測到任何東西,因為信號還沒有傳輸過來。

這其中的信號除了物體本身的輻射信號外,還有宇宙自身發射的微波背景輻射。隨著宇宙膨脹的不斷變化, 本地超星系團之外的所有目前可觀測物體最終都會出現時間凍結,同時發出的光也會越來越弱、越來越紅。

宇宙微波背景

正如文章開頭的圖片所展示的那樣,接近邊界的藤曼越來越紅,而且微弱。目前處于一定距離的物體所發出的光永遠不會到達地球,這個距離大概在190億秒差距(1秒差距=3.26光年)。

這和宇宙本身有什麼關係呢?事實上,是宇宙變化影響了這一切。宇宙會出現今天我們所觀測到的這樣,很大程度是因為宇宙在膨脹。這種膨脹變化使得宇宙不斷擴大,我們能夠觀察的東西會逐漸變得更少, 這也使得我們的宇宙(可觀測宇宙)可能會像一粒原子一般。

美麗的宇宙

宇宙膨脹不是簡單的一種空間尺寸變化,它是可觀測宇宙中任意兩個給定的不受引力約束部分之間的距離,隨著時間增加,發生一種內在的擴展。空間本身的尺度也會發生變化, 這不需要空間存在于外部,也不涉及傳統意義上的空間以及尺度變化的度量。

宇宙膨脹

我們可以對其進行一個簡單的舉例理解,在發生宇宙膨脹的地方, 比如你正在朝向一顆樹跑去,但由于你和樹之間的空間出現膨脹,你們之間的距離在不斷拉長,並且這種拉伸變化還會在新的膨脹中繼續膨脹,所以你永遠也到達不了終點。

在宇宙中對于觀察者來說,所有的空間都在膨脹, 除了最近的星系之間,星系之間的重力約束作用會減緩這種膨脹。空間內的物體移動變化看起來會比光速快,但實際上移動的是空間而不是物體本身。另外物體運動也不可能超過 光速,這種空間尺度的膨脹即便是光速也無法追趕。

這種變化最終將會導致遠離視界的天體會變得無法觀測, 因為光速沒能突破這種距離變化,從而限制了我們可觀測宇宙的大小。這種限制除了空間本身,還有粒子視界。

粒子視界影響下的宇宙

粒子視界是科學家觀測宇宙的一個重要手段,它表示來自粒子的光可以傳播到觀察者的最大距離,代表了宇宙可觀測區域和不可觀測區域的邊界。因此它在當前的宇宙研究中,定義了可觀測宇宙的大小。

現今的大爆炸理論下的宇宙是目前主流的宇宙模型,在此模型下,有一個共移距離。宇宙學家在定義物體之間距離的兩個密切相關的距離度量時,使用了共同移動距離和適當距離來表示兩個物體的變化。

適當距離大致對應于遙遠物體在標準宇宙模型時間中,特定時刻所處的位置,由于宇宙膨脹,它會隨時間變化而變化。 但共移距離會影響宇宙的膨脹,表現出一個不會因空間膨脹而隨時間變化的距離。

粒子視界

因此,就共移距離來講, 粒子視界等于共形時間。對于粒子視界而言,由于宇宙的膨脹,它還不僅是宇宙年齡乘以光速,而是光速乘以共形時間。隨著時間的流逝和共形時間的增長,粒子視界不斷後退, 這也導致我們觀測到的宇宙大小總是在增加。

現在讓我們回到宇宙膨脹上來,隨著時間的推移,構成宇宙的空間就會出現更多變化,包括空間中的物質和能量。如果我們把宇宙假設成拓撲模型, 早期宇宙暴脹模型的證據也暗示著「整個」宇宙比可觀測宇宙大得多。

宇宙大爆炸

所以任何邊緣或者奇異幾何形狀或拓撲都不能被直接觀察到。因為光還沒有達到宇宙的這些地方。因此,我們也可以假設在 宇宙空間范圍內它是無限大的,沒有邊緣或者其他連通性。

浩瀚的宇宙

綜上所述,我們從 宇宙大爆炸理論下的宇宙模型到宇宙暴脹理論中可以基本地了解這些變化,出于這種膨脹和粒子視界變化,我們的可觀測宇宙顯得微不足道了,小得就如同原子一般。從視界消退方面看, 我們會變得越來越「小」,宇宙整體的膨脹使空間距離越來越大。

直到今天, 宇宙仍然在不斷地膨脹中,可觀測宇宙中的結構顯得非常奇特。

宇宙膨脹後帶來的變化

宇宙結構從恒星水準開始,然後星系群,再到星系團、 超星系團。它們彼此之間還有薄片狀結構以及藤曼。 這其中的空隙非常巨大,並最終形成了一個巨大的泡沫狀結構。

科學家通過宇宙微波背景輻射以及紅移變化對宇宙模型進行了一種基本構建。宇宙膨脹在未來還會形成超大的空洞,超星系團之間會存在數十億光年的間隔。

如今我們能夠確定的最遙遠天體是GN-z11星系,該星系在130億年前就發生了爆炸,我們如今觀察到的是遙遠的過去,同時也是確定為最遠的觀測天體。

GN-z11星系

未來的宇宙觀測將會處于一個加速變化的宇宙中,而且會出現不可觀測事件。它們會在空間上被分開,對于某個參考系來講,即便它們與我們現在的時間同步發生,也不會有任何信號會到達地球。

人類在宇宙中觀察到的一切都是來自遙遠過去的回音, 我們身處在如原子般大小的宇宙中,在現在對未來進行預測,卻在過去發現未來,時間和空間的跨度把現實變得奇異。

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