宇宙足球(宇宙宝宝大约足球那么大)

也许你认为宇宙无穷的，说实话，确实可能是无穷的，但我们永远都不能确定这件事是否正确。宇宙大爆炸的存在告诉我们，宇宙有着明确的诞生日期，而我们尽其所能也只能追溯到宇宙大爆炸的时间，又由于光速也是有限的，我们所能看到的宇宙在空间上也是有限的。在今天这个时间点上，所有可以观测到的宇宙是一个138亿岁，以地球为中心，半径为461光年的球。但宇宙在过去，在138亿年前，有多大呢？

“我读过许多关于宇宙在膨胀之后大小的解释，其中一个阐述到它大约有0.77厘米，另外一项则描述它是一个足球的大小，还有人说它比可见的宇宙还要大，那么到底哪一种说法是对的呢，还是介于他们中的某一种？”

没有比在广义相对论诞辰100周年的时候讨论爱因斯坦和时间空间本质来的更合适的日子了，让我们先来讨论一下我们极目可见的宇宙。

当我们极望远镜的力量看到那些遥远的星系，有一些很容易被测量的东西。

·它的红移，也就是光的波长已经从惯性静止的参考系中偏移了多少。

·它有多亮，也就是我们从这样遥远的距离还能探测到多少的光线。

·它有多大，也就是它在天空中占据了多大的角度。

这些数据至关重要，因为如果我们了解了光速（这是我们仅存的几件明确知道的事情了），和我们看到的这个物体真实的亮度和尺度（我们自认为可以知道），之后我们可以整合这些信息知道任何物体离我们有多远。

然而事实不尽遂人意，由于各种各样的假设，我们只能估计一个物体真实亮度和尺度，如果你看到超新星在遥远的星系中爆炸，对于超新星亮度的估计是基于你曾经在附近见过的超新星的亮度进行的，但同时你还估计超新星爆炸的环境也是类似的、超新星本身也是类似的、而且你和超新星中间没有任何物体会改变你接收到的信号，天文学家将这三类效应叫做演化效应（越古老或越遥远的物体会更加不同），环境效应（环境的不同带来的影响比我们想象的不同）以及湮灭效应（一些尘埃会阻挡光线），还有那些我们不知道的效应。

但是，如果我们知道了我们所看到物体的真实亮度信息，那么基于简单的亮度和距离的关系，我们就可以确定这个物体离我们有多远，另外，通过测量红移，我们可以了解到光线传播到地球的过程中宇宙膨胀了多少，且得益于爱伊斯坦的广义相对论阐述得非常明确的物质-能量以及空间-时间关系，我们可以利用这些信息来探究所有不同的物质-能量组合的呈现形式。

但，远不止这些。

你现在所在的宇宙的组成是：

·0.01%的射线（光子）

·0.1%的中微子（数量巨大但是质量只有电子的一百万分之一）

·4.9%的普通物质，像是地球，恒星，星系，气体，尘埃，等离子体和黑洞

·27%的暗物质，一种存在着引力相互作用的物质，但却不同于任何标准模型下的粒子。

·68%的暗能量，促使宇宙的膨胀加速的助力

你可以利用这些信息来追溯到宇宙过去的任何一个时间点并且探究过去宇宙的能量密度有何不同以及过去任何一个时间点宇宙的尺度。

所以，我做了这件事情，并把他们以对数坐标作图，让图表更清晰。

你可以看到，暗物质也许在今天很重要，但却只在近期发展起来，在宇宙开始的90亿年里，物质（包括普通物质和暗物质）都是宇宙的主导物质，甚至在宇宙最开始的几千年里，射线（包括光子和中微子）才超过物质且最重要的存在。

我提起这些是因为这些不同的成分，射线，物质，暗能量，都在不同程度上影响着宇宙的膨胀，尽管我们看到了远至461亿光年外的宇宙，我们依然需要知道过去每个时间点的物质组成，这样才能计算在每个时间点宇宙的尺度。如图下面所展示的这样。

追溯过去的时间，有一些重要的里程碑或许你会感兴趣。

·银河的直径是100,000光年，而可观测的宇宙在三岁的时候半径就有这么大了。

·当宇宙一岁的时候，要比现在热和稠密得多，平均温度达到了两百万开尔文。

·在宇宙诞生后的一秒钟，它热到不能形成稳定的核，质子和中字游离在一片炙热的等离子体中，整个可见宇宙的半径也只有太阳到距离太阳第七近的星系那么大。

·宇宙曾经的半径只有日地距离这么长，这是在宇宙诞生后的10^12分之一秒的时间，那时候宇宙膨胀的速度是现在的1029倍。

如果我们愿意的话，我们还可以追溯到更早以前，比如到膨胀最初结束的时候，也就是大爆炸开始的时间。我们可以回溯宇宙到那个奇点，但膨胀让我们不必这样做，取而代之的是，用一段指数扩张的不确定长度的时期来追溯到过去，当来到了一个指数状态的终结，也就是来到了一个炙热稠密的膨胀状态，也就是宇宙刚开始的状态，就是这样，我们和这个一秒钟的膨胀的最后一个小小的片段产生了联结，也就是在大约10^-30秒到10^-35秒之间的膨胀。不论膨胀结束大爆炸开启的时间是什么时候，我们只需要知道那时候宇宙的大小就可以，

但是这仅限于我们可见的宇宙，真实宇宙的大小无疑要比我们能看到的大得多，但我们不知道打多少，我们从斯隆数字天空测量和普朗克卫星获得的最佳极限告诉我们，如果宇宙确实向后弯曲并自行闭合，那么我们所看到的部分与“未弯曲的”是如此难以区分，因此真实宇宙的半径至少是可观察部分的250倍。

事实上，它可能是无穷大的，因为宇宙在最早期膨胀的状态是不为我们所知的，除了最后的一个片段之外，其他的信息均被抹除。但是如果我们只讨论可见范围内的宇宙，我们可能知道宇宙大爆炸发生之前10^30分之一秒到10^35分之一秒之间的宇宙，也就是宇宙在大爆炸初期的范围在17厘米到168米之间。

17厘米，也就是大约一个足球的大小！所以如果你想知道哪一个答案最接近正确值，基于我们所知道的也就可以了。小于1厘米的估计过小了，宇宙微背景的约束告诉我们膨胀不可能以如此高的能量密度结束，这意味着1厘米的大小是不可能的。比今天所估计更大的可见大小的版本谈论的不是可观察的宇宙，但也许是正确的，却并没有提供任何可预见的进行测量的希望。

宇宙刚开始究竟有多大？如果最佳的膨胀模型是对的，那么在人头大小和一个满是摩天大楼街区大小之间的值都有可能，只要给它时间，也就是138亿年，你就可以看到整个宇宙。

参考资料

1.维基百科全书

2.天文学名词

3. Ethan Siegel- forbes

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