宇宙的尺寸有多大?科学家如何计算出宇宙的大小?
宇宙对于人类来说是非常巨大的空间,天文学家一直在尝试探索宇宙,寻找宇宙的边界,虽然宇宙无法观测到边缘,但是科学家可以通过各种间接手段,计算出宇宙的大小。
哈勃望远镜发现宇宙的星系都在不断远离,而且距离越远的星系,远离速度越快,通过哈勃定律,天文学家判断出宇宙的年龄大约是138亿年。但是宇宙中的光线,依旧有很多没有到达地球,因此宇宙的尺寸远远要比138亿光年更大。
在宇宙中,快速远离我们的星系,会因为红移定律光线偏红,科学家通过宇宙的膨胀、宇宙的年龄,综合推断出宇宙的可观测直径为930亿光年。
宇宙的增长,比光速更快?
宇宙的年龄是138亿光年,这一结论出现后,很多人认为宇宙半径就是138亿光年,宇宙随着光的传播而不断扩大。
但是通过哈勃望远镜的观测,天文学家发现几乎所有的天体都在远离我们,而且距离我们越远的天体,远离我们的速度越快。如果宇宙是一个自由的空间,那么远处的天体应该有远离、也有接近我们的天体,能够解释这一现象的假设就是——宇宙正在加速膨胀。
因此宇宙从大爆炸开始,光线开始传播的同时,宇宙也在以超常的速度膨胀,宇宙半径也远远大于138亿光年。
如果宇宙并没有膨胀,那么宇宙的半径就应该是光传递的时间,这也表明总有一天,宇宙的光都会到达地球,届时地球可能会被完全照亮,再也没有夜晚。
但是由于宇宙正在加速膨胀,空间的膨胀让光线到达地球的路程越来越远,从而让地球的夜空一直保持黑暗,这些光线,也就是宇宙的可观测半径范围。
通过观测宇宙大爆炸产生的原始引力波、宇宙微波背景,天文学家认为宇宙的可观测半径大约为465亿光年。
宇宙的真实大小,远远超过可观测半径:
虽然科学家计算出宇宙的可观测半径为465亿光年,但是这一数字一直都在不断增加。
首先就是宇宙诞生初期,宇宙内部充满了物质能量,光子也被限制在初期宇宙中无法传播,这个过程大约持续38万年时间,这部分时间并没有被计算到宇宙可观测半径内。
而且宇宙一直处于发展状态,宇宙也一直在加速膨胀,宇宙的边界并没有质量,因此膨胀速度可以超越光速,宇宙的真实大小很难进行计算,而且天文学家甚至无法确定宇宙的形状是不是球形。
通过对宇宙曲率的观测,天文学家发现宇宙在目前人类能够到达的精度范围内,几乎是平坦的空间,这说明宇宙可能是一个无限大的空间。
但由于宇宙形状并不确定,宇宙或许是一个正方体、圆柱体之类带有平面的几何体。人类想要超越可观测半径,了解宇宙的真实大小,不仅仅需要探索宇宙的尺寸,还需要了解宇宙的形状。
随着物理学的发展,宇宙的形状也出现了多种假说,不仅仅局限于球体、几何体,科学家甚至提出了多维结构的嵌套宇宙模型,这也让真实宇宙的大小变得更加复杂。
总结:
宇宙的可观测半径为465亿光年,科学家通过哈勃定律、宇宙原始引力波、宇宙微波背景、红移定律,宇宙大爆炸假说,综合推测出这一数据。
然而宇宙的可观测半径只是宇宙的一部分,随着宇宙膨胀速度的加快,最终宇宙膨胀速度会超越光速,远处天体的光也将永远无法传递到地球。届时人类想要了解宇宙真实的尺寸和形状,就会变得更加困难!