作者 | 李杰信 [加]尼爾·圖羅克

我們的宇宙到底有多大？它又是如何長(zhǎng)到這么大的呢？先說(shuō)結(jié)論：宇宙一直在變大。若以愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論為準(zhǔn)，算上宇宙膨脹的影響，它的半徑約為465億光年，合直徑930億光年，壽命為138億年。

很多人看到這估計(jì)都有些困惑，930億光年？這究竟是個(gè)什么概念？讓我們從最熟悉的地球開(kāi)始講起。乘民航機(jī)橫越太平洋約需12小時(shí)，如果乘它去月球，要18天。地球與太陽(yáng)的距離為1個(gè)天文單位，相當(dāng)于1.5億千米，光需走8分19秒，民航機(jī)則要20年，去木星要82年，而去前太陽(yáng)系第9顆行星——冥王星，更長(zhǎng)達(dá)750年。離太陽(yáng)系最近的恒星為半人馬座比鄰星，距地球約4.2光年，乘民航機(jī)需500萬(wàn)年。

500萬(wàn)年，對(duì)人類(lèi)而言太久了。而這個(gè)長(zhǎng)度，甚至還不及宇宙半徑的一個(gè)零頭。那么咱們的宇宙為何會(huì)如此之大呢？這還是源于最初的一個(gè)命題——宇宙膨脹。

一直在膨脹的宇宙

想象一個(gè)完美的光球，只有1毫米大。它是你可以想象的最亮的、光度最密集的球，如果你考慮把太陽(yáng)壓縮到原子大小，也許可以幫助你想象這個(gè)光球的內(nèi)部是多么耀眼。如此高的溫度，任何原子甚至原子核都不可能幸免。它們都被分離成基本粒子構(gòu)成等離子和光的能量子——光子。

現(xiàn)在這個(gè)光球以你不可想象的速度膨脹，1秒鐘之內(nèi)，它就已經(jīng)有1千光年大了。光球體積的變化并不是爆炸導(dǎo)致的，因?yàn)槿魏瘟Ｗ由踔凉庾佣疾豢赡芤匀绱丝斓乃俣纫苿?dòng)。事實(shí)上，是光球中的空間在膨脹。隨著它的膨脹，光子的波長(zhǎng)會(huì)被拉長(zhǎng)，它們變得不再那么高能，等離子的溫度也會(huì)降低。宇宙膨脹后的第一秒，溫度是100億度，光子仍舊有足夠的能量摧毀原子核。

隨著光球內(nèi)部空間的繼續(xù)膨脹。等離子體的溫度繼續(xù)冷卻，物質(zhì)粒子已經(jīng)能夠聚集在一起形成原子核了。膨脹開(kāi)始后的10分鐘，最輕的化學(xué)元素——?dú)?、氦、鋰——的原子核已?jīng)形成了，更重的一些化學(xué)元素的原核，比如碳、氮和氧將會(huì)在恒星和超新星中形成。

光球繼續(xù)膨脹，但是速度已經(jīng)明顯降低了。經(jīng)過(guò)40萬(wàn)年，它的大小已經(jīng)到達(dá)1千萬(wàn)光年。它的溫度已經(jīng)足夠低以至于原子核可以捕獲電子而形成第一代原子。它的環(huán)境與太陽(yáng)表面上千度的溫度很相似。這時(shí)空間仍舊在膨脹，只是速度要低得多，它仍然均勻地充斥著以物質(zhì)和輻射為基本特征的等離子體。但是當(dāng)我們環(huán)視整個(gè)空間時(shí)，我們已經(jīng)可以看到一些很小的密度和溫度的變化，雖然這些只是十萬(wàn)分之一的相對(duì)變化。就像是海洋里的波浪一樣，這些密度的小波瀾從小到大出現(xiàn)在所有的尺度。

隨著宇宙的膨脹，引力使得這些小波動(dòng)越來(lái)越強(qiáng)大，就如同海浪逼近岸邊時(shí)一樣。密度稍大的區(qū)域會(huì)變得更加致密而塌縮成星系、恒星或行星。密度稍低的區(qū)域則會(huì)膨脹而填充星系之間的空間。在距宇宙爆炸后的138億年后的今天，那個(gè)毫米大的明亮光球已經(jīng)成長(zhǎng)為一個(gè)擁有千億個(gè)星系和恒星的巨大空間。

人類(lèi)的等待，動(dòng)輒上億年

宇宙向大體積方向膨脹，溫度隨之降低。宇宙的溫度要以電磁波的強(qiáng)弱來(lái)測(cè)量。電磁波是能量的一種，其他能量還有物質(zhì)的動(dòng)能、勢(shì)能等。電磁波的波長(zhǎng)愈短，能量愈高，比如伽馬射線和X射線。反之，波長(zhǎng)長(zhǎng)的電波能量低，比如微波和無(wú)線電波等。所有的能量都可用溫度表示，能量高，則溫度高；能量低，則溫度低。

宇宙在37.6萬(wàn)年時(shí)，原始等離子體振蕩中止。中止的原因是質(zhì)子抓住了慢跑的電子，一下子宇宙的電量變?yōu)榱?，成為中性，光子、電子和質(zhì)子間的擠推力量消失。在現(xiàn)代的實(shí)驗(yàn)室里，我們可以量出在3000K溫度時(shí)，電子速度慢到可以讓質(zhì)子以正負(fù)電相吸的力量將其逮住。

若以數(shù)值來(lái)考量，在宇宙中，我們皆以絕對(duì)溫度K（Kelvin）為度量標(biāo)準(zhǔn)。水的沸點(diǎn)373K、冰點(diǎn)273K；太陽(yáng)表面溫度5777K等。電磁微波，在宇宙37.6萬(wàn)年時(shí)，因?yàn)闆](méi)有電子和質(zhì)子擋路，以3000K的能量開(kāi)始充滿了當(dāng)時(shí)的宇宙。經(jīng)過(guò)了138億年，因宇宙膨脹，電磁波被拉長(zhǎng)，溫度已經(jīng)降到了2.7250K。宇宙體積小時(shí)，溫度高；體積膨脹后，溫度變低。體積和溫度成反比，為熱力學(xué)的基本常識(shí)。

所以，宇宙從37.6萬(wàn)年起，經(jīng)過(guò)138億年，已膨脹了約3000/2.7250=1100倍，和文獻(xiàn)中以相對(duì)論精確計(jì)算出來(lái)的1292倍大致符合。星系間的距離，因宇宙空間每分每秒永無(wú)休止地膨脹，如銀河系和室女座星系團(tuán)里的M61間的距離，136億年前可近到4萬(wàn)光年，到如今已分離到5000多萬(wàn)光年，而這個(gè)距離還在持續(xù)增加中。

宇宙永無(wú)休止地膨脹著。在宇宙中的觀測(cè)，光源一面向你的方向發(fā)射光能，同時(shí)又因空間膨脹背你而去；而你的觀測(cè)站，在等待的同時(shí)，也向光源相反方向移動(dòng)，并且你等待的時(shí)間，動(dòng)輒上億年。

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文章摘編自《宇宙起源》、《宇宙的秘密》

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