宇宙到底有多大?科学家给出的结论颠覆我们的认知

宇宙探索的历史

在中国有一句古话,记载在《尸子》当中:

上下四方曰宇,往古来今曰宙。

说得直白点就是,宇宙是空间和时间的集合。而在西方,尤其是在古希腊时代,当时的学者就已经有了很深刻的宇宙观。只不过,无论是东方还是西方,他们所认为的宇宙大小要远远小于我们现在的认识。古希腊最终有托勒密构建成了一套极为完善的日心说。在这套理论当中,地球处于中心,(实际上是稍微偏心的。)宇宙中的天体都绕着地球在转,最外圈还有一个最外层天球,古人认为那些平时看着不咋懂的星体就好像镶嵌在最外层天球上。而宇宙空间的大小就是最外层天球的大小。

后来,我们也知道,哥白尼提出了日心说,颠覆了托勒密的理论。但是,这个说法并不准确,日心说也就是《天球运行论》两次只发行了1000册左右。(一般说是天体运行论,其实这个翻译是有问题,当时并没有天体的概念。)因此,这个理论只在学术圈引起了注意。而日心说真正被认可是在伽利略和开普勒的努力下,尤其是开普勒提出了开普勒三大定律才确立下来。

不过,对于“宇宙到底多大?”这个问题,日心说并没有解决得比地心说好,实际上,在这个方面的改善几乎为0。而开普勒的三大定律其实留下来了一个问题,那就是为什么天体运行的轨道是椭圆?

解决这个问题的人是牛顿,他提出了万有引力定律解决了这个问题。但同时万有引力定律也让牛顿很痛苦。因为原本对于宇宙的大小认知就是天球大小。而如今,如果只有天球大小,那在力的作用下,天体都会往中间聚合,最后收缩到一个点上。于是,牛顿为了解决这个问题,他不得不假设宇宙是无限大的,这样宇宙处处是中心,处处引力平衡,也就不会收缩到一个点上了。

目前对于宇宙大小的认识

虽然上文我们只讲到了牛顿,但我们不难发现,实际上对于宇宙大小的认知是伴随着科学理论的发展。而我们研究宇宙整体的演化情况的学科其实是宇宙学。我们几乎可以认为从牛顿之后,一直到爱因斯坦、哈勃、勒梅特,人类对于“宇宙到底多大?”的看法才开始发生本质的改变。那具体有什么改变呢?

首先,对于宇宙的定义被延伸的,不仅仅是时间和空间的集合了,还是物质和事件的集合。根据爱因斯坦的狭义相对论,我们看待宇宙的不能仅仅单一从空间来看问题,而要结合时间来看,说到底就是要用发展的眼光看问题。

那我们继续从牛顿遇到的问题说起,当时牛顿只发现了可见物质的引力。但实际上,目前观测的结果是这样的,我们能够观测到的物质其实只占宇宙总量的4.9%,剩余的是暗物质和暗能量。

而可见物质和暗物质都是提供引力的,那就会遇到牛顿所说的那个问题,就是宇宙要向内收缩。不过,实际上宇宙中还存在一种和引力正好相反的斥力,它是由暗能量所提供的,可以使宇宙空间膨胀。这里补充一句,宇宙的膨胀是均匀的,处处都是等效的。

因此,想要用动态的眼光看待“宇宙到底多大”,实际上就要看宇宙未来的发展趋势到底如何,是一直膨胀,还是减速膨胀,乃至加速收缩。(之所以这么说,是因为宇宙大爆炸之后没多久,宇宙就开始在减速膨胀了。)

而衡量两者谁更强的方法其实是探测宇宙的平均密度,科学家发现,平均密度在一立方米大概一个氢原子的水平,宇宙就几乎处于平衡状态,而如果密度大于这个临界密度,宇宙就会收缩,如果小于临界密度,宇宙就会膨胀。而目前观测的结果是略小于临界密度,也就是说,按照目前的观测结果,宇宙未来的宿命就是一直膨胀下去。

如果是这样的结果,我们只需要知道宇宙现在到底有多大就行。而这个结果其实很出乎意料,按照目前从普朗克卫星发回来的数据看,我们可以得到宇宙的形状,在千分之六的精度上,宇宙是不完全的,是平坦的。也就是下图中第二种情况,这种情况预示着宇宙实际上现在已经就是无限大的。

也就是说,按照目前的观测结果就是,宇宙是无限大,并且宇宙还在加速膨胀,也就是说,如果平均密度没有发生骤变,宇宙将会一直加速膨胀下去,一直处于无限大的状态。