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我们能想象的很少有东西像太空一样大得令人难以置信。我们可观测的宇宙,一直到我们所能看到的最深处的太空,将我们带到各个方向约 460 亿光年。从大爆炸到现在,我们的宇宙在引力的同时膨胀,产生了遍布外太空的恒星和星系。总而言之,目前其中存在着数万亿个星系,而我们所知道的每个星系中,可能有 30 到 100 个因太小、太暗、太远而无法被我们目前观测到。

然而,如果我们回到过去,我们就会发现,我们的宇宙不仅是一个小得多的地方,而且在最早的阶段,宇宙本身也一点也不令人印象深刻。如果宇宙已经膨胀和冷却了 138 亿年,那么很久以前,它一定更小、密度更大,这意味着可能并不总是有如此大的体积来容纳存在了这么长时间的所有粒子。太空可能并不总是一个很大的地方,只是因为我们的宇宙已经如此彻底和无情地膨胀,才使它今天变得如此巨大和空旷。

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如果我们审视今天的宇宙,无可否认其规模之巨大。我们的银河系附近有 4000 亿颗恒星,直径超过 100,000 光年。恒星之间的距离巨大,距离太阳最近的恒星(比邻星)距离我们约 4.24 光年:距离超过 40 万亿公里。平均而言,在银河系中心或密集的旋臂内,恒星之间的距离更近,但在旋臂之间或在银河系的外围,恒星之间的典型距离可能比我们在我们所在位置经历的距离要大得多。

虽然有些恒星在多星系统或各种类型的星团中聚集在一起,但大多数恒星系统都像我们自己的恒星系统一样:拥有与星系内所有其他恒星相对隔离的单颗恒星。一旦你愿意把目光投向我们自己的星系之外,你会发现宇宙确实变得更加稀疏,只有宇宙体积的一小部分实际上包含星系。据我们所知,宇宙的大部分都是空旷的空间:完全没有恒星和星系,只有少量的星际物质存在。

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例如,我们的本星系群包含另一个大型星系:仙女座星系,距离我们 250 万光年。还存在许多明显较小的星系,包括三角星系(本星系群第三大)、大麦哲伦星云(#4)以及超过 100 个其他较小的邻居。本星系群的整个范围包含大量星系,但其恒星含量绝大多数由我们自己和仙女座星系主导,全部包含在距银河系位置约 300 万光年的范围内。

除了本星系群之外,我们发现整个宇宙中的星系都聚集在一起,形成了一个由大型星系团组成的宇宙网,这些星系团通过星系点状的细丝连接起来。宇宙之所以会变成这样,不仅因为它膨胀和冷却,还因为它也有引力。最初密度过高的区域优先吸引物质并形成我们所看到的结构;密度较低的区域将其物质交给密度较高的区域,成为主宰宇宙大部分体积的巨大宇宙空洞。

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总而言之,我们今天可观测到的宇宙确实是巨大的。以任何观察者(包括我们自己)为中心,我们可以在任何方向观察远至 461 亿光年的物体。将其全部加起来,体积相当于 4.1 × 1032 立方光年。即使我们放弃保守路线并估计我们可观测的宇宙中包含多达 20 万亿个星系,这也意味着每个星系平均拥有约 2 × 1019 立方光年的体积。

如果整个宇宙中的星系都是均匀分布的(而且它们绝对不是),那么您可以将手指放在一个星系上,并在其周围画一个半径约为 200 万光年的球体,并且永远不会撞击另一个星系。但这并不是星系的分布方式。在我们在宇宙中的位置,我们看到星系的数量密度比整个星系的预期平均密度大数百倍。是什么弥补了像我们这样的人口密度过高的现象?它是星系群和星团之间的空间,宇宙的大部分体积都位于其中,而且大部分是空的空间。

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但今天的宇宙之所以这么大,是因为它膨胀并冷却到了这一点。即使在今天,宇宙仍在以惊人的速度膨胀:大约 70 km/s/Mpc。在宇宙最远的地方,即461亿光年之外,我们可以观测到的宇宙数量每年增加6.5光年。

这意味着,如果我们沿着相反的时间方向推断——尽可能回顾过去——我们会发现宇宙更年轻、更热、更小的时候的样子。今天,宇宙向各个方向延伸了 460 亿光年,但那是因为大爆炸已经过去了 138 亿年,而我们的宇宙包含了暗能量、物质和各种形式的辐射的特定组合。

如果我们回到宇宙只有 30 亿年的时候(大约是当前年龄的 20%),我们会发现它的半径只有大约 90 亿光年(只是当前体积的 0.7%)。

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当宇宙还很年轻的时候,我们回顾星系和星系团是没有问题的。哈勃太空望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜等已经把我们带回了比这更远的地方。在我们仍然可以观察到像星系和类星体这样的自发光实体的最早时代,我们发现,平均而言,这些富含恒星的实体是:

  • 更小,

  • 更蓝,

  • 质量较低,

  • 重元素稀少,

  • 平均而言,进化程度较低,

因为宇宙没有足够的时间来形成最大、最庞大的结构。

宇宙在这个早期阶段的整体密度比现在要大得多。即使宇宙在膨胀,物质粒子的数量也随着时间的推移保持不变,这意味着年龄约为 30 亿年的宇宙的密度大约是今天年龄约为 138 亿年的宇宙的密度的 150 倍。当时每立方厘米的质量接近 100 个质子,而不是每立方米约 1 个质子。然而,我们可以回到更早的时代,发现一个不仅更小、更致密,而且也截然不同的宇宙。

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如果我们回到宇宙只有 1 亿岁的时候——不到现在年龄的 1%——事情开始看起来截然不同。第一批恒星最近才开始形成,但当时还没有星系,甚至连一个都没有。此时宇宙的规模约为当前规模的 3%,这意味着它的体积仅为当前的 0.003%,密度是当前的 40,000 倍。此时,宇宙微波背景的温度足以使液氮沸腾。

但我们可以追溯到更早的时候,发现一个更小的宇宙。我们看到的宇宙微波背景光是在宇宙只有 380,000 岁的时候发出的:当时它的密度是现在的十亿倍以上。如果你在我们今天当地的超星系团拉尼亚凯亚周围画一个圆圈,它所包裹的体积将比整个可观测宇宙在早期、炎热、致密阶段大得多。

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这意味着,如果我们回到宇宙大约十年前的时代,即大爆炸第一次发生十年后,整个可观测的宇宙——包含构成我们今天估计的 20 万亿个星系的所有物质——将是不比银河系大。

这意味着,如果我们回到大爆炸后仅仅一秒钟的时间,当早期宇宙的最后一个反物质(以正电子的形式)湮灭时,整个可观测的宇宙只会大约直径100光年。

这意味着在宇宙的早期阶段,自大爆炸以来大约只过去了皮秒(10-12秒)时,整个可观测的宇宙可以容纳在一个不大于地球轨道大小的球体中太阳。整个可观测的宇宙,在大爆炸的早期阶段,比我们的太阳系还要小。整个可观测的宇宙,在大爆炸的早期阶段,比我们的太阳系还要小。

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你可能认为你可以把宇宙一路带回到奇点:回到无限温度和密度的点,在那里它的所有质量和能量都集中到一个奇点。但我们知道这并不是对宇宙的准确描述。相反,宇宙膨胀时期必定先于大爆炸并引发了大爆炸。

根据今天宇宙微波背景的证据,我们可以得出结论,宇宙在热大爆炸期间一定达到了最高温度:不超过约 1029 K。虽然这个数字很大,但它不仅是有限的,而且远低于普朗克尺度。当你进行数学计算时,你会发现宇宙在热大爆炸开始时的最小直径:大约 1 米(3.3 英尺),或者大约是一个人类孩子的大小。

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确实,我们不知道宇宙中不可观测的部分到底有多大;它可能是无限的。确实,我们不知道通货膨胀持续了多久,也不知道通货膨胀之前发生了什么(如果有的话)。但我们确实知道,当热大爆炸开始时,我们今天在可见宇宙中看到的所有物质和能量,所有向各个方向延伸 461 亿光年的物质都必须集中到大约一个足球的。

至少在很短的一段时间内,我们今天所观察到的广阔空间一点也不大。构成整个巨大星系的所有物质都可以容纳在比铅笔橡皮还小的空间区域中。然而,经过 138 亿年的膨胀、冷却和引力作用,我们到达了今天所占据的广阔宇宙的一个小角落。太空可能是我们所知道的最大的事物,但我们可观测的宇宙的大小是最近才取得的成就。太空并不总是那么大,证据就写在宇宙的表面上:我们所有人都可以看到证据。