如果把地球当做一个直径 1cm 的小球,整个目前观测到的宇宙有多大?

如果把地球当做一个直径 1cm 的小球,整个目前观测到的宇宙有多大?

这是一个有标准答案的问题,所以我做一下补充吧。大部分回答说的可观测宇宙指的是我们现在的可观测宇宙。

但是如果算上时间尺度,“可观测宇宙”更精确的定义是“在整个时间轴上能与我们产生因果交互的宇宙空间总和”。

是的,可观测宇宙的范围是一直在增加的。

比如,现在每过一秒,我们的可观测宇宙半径就扩大了 90 万公里(近似公式:距离 D=3ct),而存在这么一个“未来可见极限”,到了这个极限,可观测宇宙将不再会扩大。

我们的宇宙年龄大约是 137 亿年,如果按照相对论的光速限制,我们最远能够看到的距离应该是 137 亿光年才对,但是为什么我们现在计算出的可观测宇宙最远距离是 467 亿光年?

宇宙的膨胀

这是因为宇宙在膨胀,下图是最远的光子到达地球的过程。

宇宙大爆炸后 38 万年,光子诞生,那时候有一个光子,向着地球所在的位置移动,但是因为空间在膨胀,所以这个光子跑了 137 亿年才终于到达地球,对于这个光子来说,前面的地球在逃跑,后面发出光子的物质也在向后远离,此消彼长之下,在它到达地球的时候,发出这个光子的物质已经离地球很远了,因为空间膨胀的原因,它向着与地球相反的方向远离,而这个它目前所在的位置到我们的距离就是可观测宇宙的半径,也就是 467 亿光年。

也就是说可观测宇宙半径指的是这些星系现在和我们的距离,而不是发出光线时到我们的距离。

因为宇宙的年龄只有 137 亿年,所以刚刚来得及让这个光子到达地球,在未来,远处的星系发出的光线将会有更长的时间穿越时空,我们的可观测宇宙将越来越大。

可观测宇宙会一直增大下去吗?

有这么一种情况,一个正好比光快一点远离我们的星系可能刚好把光线传递到我们这里,这个星系把光传递到地球的那一刻,它距离我们的实际距离就是“未来可见极限”,在我们眼中的具体体验就是看到一颗新的星星刚刚诞生马上就消失了,而且从此不会再有新的星星诞生。这也就是我们的可观测宇宙的全部。

宇宙膨胀的速度是可以超过光速的,相对论限制的是能量和信息的超光速传递,而空间本身的膨胀是可以超光速的。

这个“未来可见极限”的计算结果是 630 亿光年,也就是可观测宇宙的极限半径。有兴趣看具体计算过程的同学可以看这个回答:如何计算可观测宇宙的大小?

我们可以在无尽的未来中看到的星系数目将比现在看到的星系多出 2.36 倍。

如果地球是直径 1cm 的小球的话,这个极限的可观测宇宙半径就是49 光年左右

另一种情况

还有一种很有意思的假说,就是实际的宇宙是小于我们的可观测宇宙的

请你想象一下这么一个场景,你在一个半径 10 米的圆球内,你朝任何方向看都是你自己的背影,你往任何方向跑都会回到原地,这个圆球就是全部,没有外面,然后,把这个圆球无限放大到宇宙这个尺度,这就是有限无界的宇宙模型。

在这种情况下,我们看上去很远的星系可能是我们背面星系的光线绕宇宙一周所看到的幻象,也就是说我们向东能够看到这些星系的正面,而向西看到的是这些星系的背面。因为星系正面和背面的光到达地球的时间存在很大的差异,所以我们没有觉察出来这些其实是处在不同年龄阶段的同一些星系。

科学家们得到的有限无界宇宙最小半径是 390 亿光年,比我们目前的可观测宇宙还要小。

这就不是可观测宇宙了,而是全部宇宙的大小,如果地球是直径 1cm 的小球的话,宇宙的半径就是 30 光年左右。