當(dāng)我們談?wù)撘恍O為龐大的事物時(shí),通常會(huì)采用將其等比縮小的方法,使其落入我們能夠直觀理解的范圍之內(nèi),那么,我們已知最大的事物是什么呢?答案當(dāng)然就是宇宙。所以問(wèn)題就來(lái)了,如果地球只有1厘米,等比縮小的宇宙會(huì)有多大呢?下面我們就來(lái)討論一下。
已知地球的直徑大約是12742公里,通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可得出,如果地球只有1厘米,其實(shí)就是將地球直徑縮小為原來(lái)的12.742億分之1,按相同比例縮小的話,太陽(yáng)的直徑就將縮小到大約1.1米,而日地距離則將縮小到大約117米,就算是太陽(yáng)系的直徑(以?shī)W爾特云為邊界),也將只有大約1.5萬(wàn)公里,可以看到,這樣的縮小比例是非??鋸埖?。
由于光速是有限的,因此我們其實(shí)只能看到宇宙中的一部分,這也被稱為可觀測(cè)宇宙,這是一個(gè)以地球?yàn)橹行?,直徑約為920億光年的球體空間,如果我們將其等比縮小,那么可觀測(cè)宇宙的直徑,仍然可以達(dá)到大約72.2光年。
需要知道的是,光年是天文學(xué)中用來(lái)描述宇宙天體之間距離的一種長(zhǎng)度單位,根據(jù)定義,1光年就是以真空中的光速直線前進(jìn)1年(儒略年,365.25天)的距離,換算下來(lái)大約就是9.46萬(wàn)億公里,而對(duì)于我們?nèi)祟悂?lái)講,即使是1光年,也是難以企及的距離。
舉個(gè)例子,目前距離地球最遠(yuǎn),未來(lái)有望飛出太陽(yáng)系的探測(cè)器——旅行者1號(hào),其當(dāng)前速度約為17公里/秒,而以這樣的速度,卻需要大約1.76萬(wàn)年的時(shí)間,才能夠跨越1光年的距離……
那么,如果將我們觀測(cè)不到的那部分宇宙也算進(jìn)去,整個(gè)宇宙在等比縮小后又有多大呢?要回答這個(gè)問(wèn)題,我們首先需要知道整個(gè)宇宙到底有多大。
根據(jù)廣義相對(duì)論,空間是一種客觀的存在,并且還會(huì)因?yàn)槲镔|(zhì)的質(zhì)量而發(fā)生彎曲,而根據(jù)宇宙學(xué)原理,宇宙中的每一處空間都是等效的,據(jù)此可以推測(cè)出,宇宙的形狀應(yīng)該是由宇宙中所有物質(zhì)的質(zhì)量“合力”塑造的,所以它應(yīng)該具備一個(gè)整體上的曲率。
從理論上來(lái)講,這種曲率只有3種可能,如果曲率為正,宇宙的整體形狀就是一個(gè)三維球面,如果為負(fù),則是一個(gè)三維馬鞍面,如果為零,就是平坦的三維空間(如下圖所示)。
可以看到,在曲率為負(fù)和零的情況下,宇宙就是開(kāi)放的,而這也就意味著,這樣的宇宙是無(wú)限大的,而如果曲率為正,宇宙就是封閉的,在這種情況下,宇宙的大小就是有限的。
那么,宇宙到底屬于哪一種可能呢?很明顯,我們需要去測(cè)量宇宙空間的曲率,怎么測(cè)量呢?答案或許就隱藏在宇宙微波背景輻射之中。
簡(jiǎn)單來(lái)講,宇宙微波背景輻射是宇宙誕生時(shí)留下的古老光線,這些光線經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的時(shí)間和空間擴(kuò)展,現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)化為微波,均勻地散布在整個(gè)宇宙。
科學(xué)家認(rèn)為,我們所觀測(cè)到的宇宙微波背景輻射的光子,其實(shí)已經(jīng)在傳播了極為遙遠(yuǎn)的距離,假如宇宙空間真的存在曲率,這些光子必然會(huì)受到這種曲率的影響,進(jìn)而表現(xiàn)出相應(yīng)的特征(如下圖所示)。
在過(guò)去的日子里,科學(xué)家已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行過(guò)大量的觀測(cè)和研究,得出的結(jié)果基本上都是:宇宙的曲率非常接近零。而這也就強(qiáng)烈暗示了,宇宙很可能是無(wú)限大的,而如果真是這樣的話,那我們的問(wèn)題就沒(méi)有討論的必要的,畢竟把一個(gè)無(wú)限大的宇宙縮小到原來(lái)的12.742億分之1,它依然是無(wú)限大的。
然而我們卻不能排除這樣一種情況,即:宇宙的大小是有限的,但由于它的尺度很大,以至于在我們可觀測(cè)到的有限范圍內(nèi)察覺(jué)不到它的曲率。這就好比是,地球本身是圓的,但由于我們?cè)诘厍虮砻嫔纤苡^察到的范圍通常都很小,因此我們很難察覺(jué)到地球本身的曲率。
根據(jù)科學(xué)家的計(jì)算,如果宇宙真是屬于這種情況的話,那么整個(gè)宇宙的直徑,將至少是可觀測(cè)宇宙的250倍(大約23萬(wàn)億光年)。也就是說(shuō),在此假設(shè)成立的基礎(chǔ)上,如果將整個(gè)宇宙縮小到原來(lái)的12.742億分之1,其直徑仍然高達(dá)1.8萬(wàn)光年以上。
綜上所述我們可以清楚地了解到,宇宙實(shí)在太大了,僅僅是可觀測(cè)宇宙,就大得令我們嘆為觀止,而在此范圍之外,還存在著更加廣袤的世界,人類未來(lái)真的可以在宇宙中暢游嗎?這是一個(gè)令人深思的問(wèn)題。
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