宇宙有多大？它是如何越变越大的？

　　宇宙从诞生开始，就一直在膨胀……｜图虫创意

　　作者 | 李杰信 [加]尼尔·图罗克

　　我们的宇宙到底有多大？它又是如何长到这么大的呢？先说结论：宇宙一直在变大。若以爱因斯坦的广义相对论为准，算上宇宙膨胀的影响，它的半径约为465亿光年，合直径930亿光年，寿命为138亿年。

　　很多人看到这估计都有些困惑，930亿光年？这究竟是个什么概念？让我们从最熟悉的地球开始讲起。乘民航机横越太平洋约需12小时，如果乘它去月球，要18天。地球与太阳的距离为1个天文单位，相当于1.5亿千米，光需走8分19秒，民航机则要20年，去木星要82年，而去前太阳系第9颗行星——冥王星，更长达750年。离太阳系最近的恒星为半人马座比邻星，距地球约4.2光年，乘民航机需500万年。

　　500万年，对人类而言太久了。而这个长度，甚至还不及宇宙半径的一个零头。那么咱们的宇宙为何会如此之大呢？这还是源于最初的一个命题——宇宙膨胀。

　　一直在膨胀的宇宙

　　想象一个完美的光球，只有1毫米大。它是你可以想象的最亮的、光度最密集的球，如果你考虑把太阳压缩到原子大小，也许可以帮助你想象这个光球的内部是多么耀眼。如此高的温度，任何原子甚至原子核都不可能幸免。它们都被分离成基本粒子构成等离子和光的能量子——光子。

　　现在这个光球以你不可想象的速度膨胀，1秒钟之内，它就已经有1千光年大了。光球体积的变化并不是爆炸导致的，因为任何粒子甚至光子都不可能以如此快的速度移动。事实上，是光球中的空间在膨胀。随着它的膨胀，光子的波长会被拉长，它们变得不再那么高能，等离子的温度也会降低。宇宙膨胀后的第一秒，温度是100亿度，光子仍旧有足够的能量摧毁原子核。

　　随着光球内部空间的继续膨胀。等离子体的温度继续冷却，物质粒子已经能够聚集在一起形成原子核了。膨胀开始后的10分钟，最轻的化学元素——氢、氦、锂——的原子核已经形成了，更重的一些化学元素的原核，比如碳、氮和氧将会在恒星和超新星中形成。

　　宇宙膨胀的过程，带动了一些新事物的发生。｜图虫创意

　　光球继续膨胀，但是速度已经明显降低了。经过40万年，它的大小已经到达1千万光年。它的温度已经足够低以至于原子核可以捕获电子而形成第一代原子。它的环境与太阳表面上千度的温度很相似。这时空间仍旧在膨胀，只是速度要低得多，它仍然均匀地充斥着以物质和辐射为基本特征的等离子体。但是当我们环视整个空间时，我们已经可以看到一些很小的密度和温度的变化，虽然这些只是十万分之一的相对变化。就像是海洋里的波浪一样，这些密度的小波澜从小到大出现在所有的尺度。

　　随着宇宙的膨胀，引力使得这些小波动越来越强大，就如同海浪逼近岸边时一样。密度稍大的区域会变得更加致密而塌缩成星系、恒星或行星。密度稍低的区域则会膨胀而填充星系之间的空间。在距宇宙爆炸后的138亿年后的今天，那个毫米大的明亮光球已经成长为一个拥有千亿个星系和恒星的巨大空间。

　　即使到了今天，宇宙的膨胀依旧没有停止。｜图虫创意

　　人类的等待，动辄上亿年

　　宇宙向大体积方向膨胀，温度随之降低。宇宙的温度要以电磁波的强弱来测量。电磁波是能量的一种，其他能量还有物质的动能、势能等。电磁波的波长愈短，能量愈高，比如伽马射线和X射线。反之，波长长的电波能量低，比如微波和无线电波等。所有的能量都可用温度表示，能量高，则温度高；能量低，则温度低。

　　宇宙在37.6万年时，原始等离子体振荡中止。中止的原因是质子抓住了慢跑的电子，一下子宇宙的电量变为零，成为中性，光子、电子和质子间的挤推力量消失。在现代的实验室里，我们可以量出在3000K温度时，电子速度慢到可以让质子以正负电相吸的力量将其逮住。

　　若以数值来考量，在宇宙中，我们皆以绝对温度K（Kelvin）为度量标准。水的沸点373K、冰点273K；太阳表面温度5777K等。电磁微波，在宇宙37.6万年时，因为没有电子和质子挡路，以3000K的能量开始充满了当时的宇宙。经过了138亿年，因宇宙膨胀，电磁波被拉长，温度已经降到了2.7250K。宇宙体积小时，温度高；体积膨胀后，温度变低。体积和温度成反比，为热力学的基本常识。

　　宇宙的大小早已超出了人类能观测到的范围。｜图虫创意

　　所以，宇宙从37.6万年起，经过138亿年，已膨胀了约3000/2.7250=1100倍，和文献中以相对论精确计算出来的1292倍大致符合。星系间的距离，因宇宙空间每分每秒永无休止地膨胀，如银河系和室女座星系团里的M61间的距离，136亿年前可近到4万光年，到如今已分离到5000多万光年，而这个距离还在持续增加中。

　　宇宙永无休止地膨胀着。在宇宙中的观测，光源一面向你的方向发射光能，同时又因空间膨胀背你而去；而你的观测站，在等待的同时，也向光源相反方向移动，并且你等待的时间，动辄上亿年。

　　说到这里，你是否也想探索更多关于宇宙的奥秘？《宇宙起源》、《宇宙的秘密》两册书，能带你经历一次穿越时空的神奇之旅，让你在体验一次又一次激动人心的前沿科研成果的同时，感受一个又一个人类探索宇宙和认识自身的扣人心弦的故事……

　　文章摘编自《宇宙起源》、《宇宙的秘密》

　　宇宙起源

　　李杰信

　　科学普及出版社

　　2015年5月

　　49.00元

　　作者简介

　　李杰信

　　博士，美籍华裔科学家，台湾大学物理系毕业，美国麻省理工学院科技管理硕士，洛杉矶加州大学物理学博士。曾发表过90多篇科学及科技管理论文，并拥有9项美国专利，曾获NASA颁发的“杰出成就奖章”、“杰出服务奖章”和航天员办公室“银斯努匹奖”；还曾获第一届太平洋盆地国际太空年“松长纪念奖”。

　　宇宙的秘密

　　[加]尼尔·图罗克

　　译者 董晓怡

　　科学普及出版社

　　2016年7月

　　38.00元

　　作者简介

　　[加]尼尔·图罗克

　　世界著名理论物理学家和教育改革家，加拿大前沿理论物理研究所所长，曾任普林斯顿大学物理教授和剑桥大学数学物理系主任。曾与斯蒂芬·霍金合作提出了用于描述宇宙膨胀起源的霍金-图罗克瞬子理论，并与保罗·斯坦哈特合作发展了循环宇宙的方法论。