宇宙究竟有多大呢？暗能量决定宇宙的尺度

xiaoyang741

现代天文学的研究表明，宇宙起源于138亿年前的一个奇点爆炸，从那时起宇宙就在不断膨胀，如今我们所能观测到的宇宙范围已经达到了约930亿光年。但这并不意味着宇宙就只有这么大，宇宙的真实大小可能远远超出了我们的想象。当人们问起宇宙的外面是什么时，科学家给出的答案是外面不存在时间与空间，似乎是一个空无一物的概念。可问题是宇宙还在加速膨胀，这表示外面一定还有空间，宇宙的外面到底是什么呢？

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宇宙究竟有多大呢？暗能量决定宇宙的尺度© 由 众播生活 提供

在我们能够接触到的天文学术语中，"可观测宇宙"是一个非常常见的词汇。那么什么是可观测宇宙呢？为了解释这个问题，我们需要从宇宙的大爆炸说起。在爱因斯坦提出了广义相对论后，人们开始发展广义相对论的宇宙学应用。许多科学家根据广义相对论的推导得出结论，认为宇宙是一个动态的过程。勒梅特进一步提出了原生原子假说，这个假说实际上是宇宙大爆炸理论的前身。正好在这个时期，哈勃观测到离我们越远的天体以更快的速度远离我们，这就支持了宇宙正在膨胀的观点。之后，伽莫夫的太初合成理论在后来的射电望远镜观测到的物质分布中得到了证实。拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼预言了宇宙微波背景辐射的存在，并在1964年由阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊进行观测，并得到了证实。这些观测结果进一步支持了宇宙大爆炸理论，使其在科学界占据主导地位。根据观测的数据和推测，科学家认为大爆炸发生在大约138亿年前。大爆炸的过程下面简单叙述下。

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宇宙究竟有多大呢？暗能量决定宇宙的尺度© 由 众播生活 提供

在宇宙大爆炸之初，整个宇宙是一个高度炽热且高能量的状态。在宇宙诞生的约10^-6秒之后，开始出现了电子、夸克和光子等基本粒子。随着时间的推移，夸克在强力作用下结合形成了质子和中子等重子。随着宇宙的膨胀和温度的降低，质子和中子开始相互结合，形成了氢和氦等轻元素的原子核，在这个时期，宇宙的温度仍然非常高，光子被束缚在原子核附近无法自由传播。直到大约38万年后，随着宇宙的膨胀，温度降低到足够低，光子才被释放出来，开始在宇宙中自由传播。与此同时，由于温度的降低，电子被原子核捕获，形成了稳定的原子结构，从而使物质正式形成。之后，宇宙进入了一个黑暗的时代，宇宙继续膨胀，物质则在引力的作用下逐渐聚集，形成了气体云。这些气体云在自身引力的作用下不断坍塌，最终点燃了核聚变反应，形成了第一代恒星。它们发出的强烈辐射使其周围的宇宙发生“氢再电离”，从这个时间点开始，宇宙中的中性气体再次转化为我们今天看到的电离状态。大量的恒星在原初黑洞的引力作用下形成了星系，星系又聚集成了星系团。这些星系通过引力相互作用形成了各种结构，最终形成了我们现在看到的宇宙。

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宇宙的诞生和可观测宇宙是密切相关的。每个时刻都代表着人类观测能力的极限。例如，目前我们能够观测到的最远天体是距离我们约134亿光年的GN-Z11星系。根据宇宙的膨胀，它实际上位于约300亿光年的距离。除了可见光观测限制之外，我们还可以通过全波段的电磁辐射观测。在宇宙大爆炸后约38万年，第一批光子被释放出来形成宇宙微波背景辐射。这一观测结果由阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊于1964年发现，并位于约461亿光年的距离（请注意，这是半径）。除了宇宙微波背景辐射，我们还可以利用中微子作为观测手段。中微子在宇宙大爆炸后的约1秒钟时期与其他粒子分离，如果我们能够捕捉到当时的中微子，它们将携带着宇宙诞生1秒后的信息。最后，引力波也是一个重要的观测手段。引力波在宇宙大爆炸后的第一个普朗克时间就诞生了。从理论上讲，只要我们能接收到当时的引力波，我们将能够了解关于宇宙从诞生以来的一切。从微波背景辐射（可见光观测宇宙）到引力波（可观测宇宙）大约只有4亿光年。

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根据大爆炸理论，宇宙没有外面。整个宇宙都是大爆炸的产物，时空和物质都存在于宇宙内部，而外部则是一片混沌。但科学家并不满足于这一观点，他们希望通过测量宇宙的大小来验证宇宙的结构。根据斯隆数字巡天和普朗克卫星的观测结果，宇宙似乎是平坦的且无限大，与我们原本认为的超级膨胀的球体有所不同。然而，这并不意味着宇宙是平坦且开放的，科学家怀疑宇宙可能在我们所能观测到的范围之外发生弯曲和闭合，因为宇宙的尺度实在太大，我们目前仅能观测到约930亿光年，无法确定宇宙是闭合的还是开放的。除了测量宇宙的大小，科学家还通过重子声学振荡等方法来获取更多关于宇宙的信息。根据重子声学振荡的观测结果，宇宙可能比我们目前认为的可观测宇宙要大1500万倍，达到了23万亿光年的尺度。这意味着宇宙可能存在着指数级的时空泡沫，其中包含许多类似于我们宇宙的宇宙，具有相同的物理规律、物理结构和可能形成复杂生命的条件。

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在宇宙的演化中，科学家还发现了暗能量的存在。根据1998年对Ia型超新星的观测结果，大约60亿年前宇宙开始经历加速膨胀，科学家提出了暗能量的概念来解释这一现象。这一发现对于当时认为宇宙将缓慢膨胀甚至最终坍缩的科学家来说是一个意外，预示着宇宙可能会在暗能量的主导下持续膨胀，直到最后一颗原子被撕裂。在这样的背景下，宇宙的未来变得令人担忧。即使不考虑大坍缩的可能性，宇宙最终也将陷入热寂状态。随着时间流逝，宇宙的熵将不断增加，从有序向无序演化，直到宇宙中的所有有效能量都转化为热能，物质达到热平衡。在这种状态下，宇宙将进入热寂，所有星系的恒星产生将停止，最后的红矮星燃料也将耗尽。宇宙将进入最低能量状态。因为暗能量的发现，宇宙结局变成了大撕裂，但这是唯一的结局吗？这取决于暗能量的性质，所以宇宙在未来还有很多不确定因素，我们对它的理解将取决于对暗能量的认识。暗能量的性质将决定宇宙的终极命运。对此，你们怎么认为呢！