直徑至少23萬億光年！整個不可觀測宇宙有這樣大？

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大家經常能看到關於宇宙的描述或天文學的研究大多是基於已知宇宙（即可觀測宇宙），可能你很少看過或不知曉關於宇宙學研究關於不可觀測宇宙部分的研究，那麼今天「博科園」就帶你領略宇宙的風騷！從簡單的集合來看，可觀測宇宙是包含在不可觀測宇宙之中，可以想像一下兩個大小相差很大的非/同心圓類比。

宇宙暴脹引發了熱大爆炸，創造了可觀測到的宇宙，但我們只能測量膨脹對宇宙最後一秒的影響。然而這足以提供大量的預測，其中許多已經在觀測上得到了證實。圖片：E.Siegel，ESA/Planck和DoE/NASA/NSF關於CMB研究獲得的圖像

可能你會說可觀測宇宙都沒研究透更甚至說地球都沒研究透，來研究不可觀測宇宙有何意義？如果你這樣想，那麼你就太不懂理論研究之美了！（至少因為科學家很多啊：你研究地球，我研究行星，他研究恆星，她研究星系，可謂各有專攻，並不是所有人都去研究同一領域）。

博科園-科學科普：138.17億年前宇宙大爆炸誕生了宇宙，可觀測宇宙充滿了物質、反物質、輻射，並存在於超熱、超緻密、但膨脹和冷卻狀態。直到今天，包含人類可觀測宇宙的體積半徑已經膨脹到460億光年（也稱哈勃體積（也有±誤差），而今天第一束到達我們眼睛的光與所能測量的極限相對應。但除此之外還有什麼？那麼不可觀測的宇宙呢？

這張NASA/ESA哈勃太空望遠鏡拍攝的圖像顯示了一個巨大的星系團PLCK_G308.3-20.2在黑暗中發光。這就是浩瀚的宇宙的樣子。但是人類所知道的宇宙究竟有多大，包括不可觀測的部分，還會繼續下去嗎？圖片：ESA/HUBBLE & NASA, RELICS; ACKNOWLEDGEMENT: D. COE ET AL.

我們知道可觀測到的宇宙大小，因為知道宇宙的年齡(至少從相變以來)，並且知道光的輻射。那為什麼不包括在宇宙微波背景輻射（CMB）和其他預測之間的數學運算會告訴我們宇宙整個的規模？知道宇宙有多熱，而現在有多冷，宇宙規模不會影響這些計算嗎？但，要是這麼簡單就好了。

人類使用各種工具和望遠鏡可以看到的宇宙歷史已經很好地確定了。但是觀測僅可以為我們提供關於可觀測部分的證據。其他的一切都必須被推斷出來，而這些推論只和它們背後的假設一樣好。圖片：SLOAN DIGITAL SKY SURVEY

今天的宇宙是寒冷和「凝塊」的，但它也在膨脹和引力聚集。當看到越來越遠的距離時，看到的東西不僅是遙遠的，而且由於有限的光速而看到過去。越遠的宇宙越不容易形成塊狀和更均勻，其具有更少的時間以形成更大、更複雜的結構，其需要更多的時間來進行引力效應。早期的宇宙也更熱，膨脹的宇宙使穿過宇宙時空所有光的波長都變長了。當波長變長時，它就會失去能量，變得更冷。這意味著宇宙在遙遠的過去是更熱的，這一事實科學家已經通過對宇宙中遙遠特徵的觀察得到證實。

2011年的一項研究（紅點）已經給出了迄今為止最好的證據，證明CMB過去的溫度更高。遠距離光的光譜和溫度特徵證實了我們生活在膨脹的空間中。圖片：P. NOTERDAEME, P. PETITJEAN, R. SRIANAND, C. LEDOUX AND S. LOPEZ, (2011). ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 526, L7

人類可以測量宇宙的溫度，就像在宇宙大爆炸後138億年的今天，通過觀測那個熾熱的，緻密的，早期狀態的殘餘輻射。今天它出現在光譜的微波部分，被稱為宇宙微波背景輻射（CMB），特徵和絕對溫標2.725K的黑體輻射相同，很容易確認這些觀測結果與我們宇宙大爆炸模型的預測相符。

太陽的實際光（黃色曲線（左）與完美黑體（灰色），表明太陽更多的是由於其光球層的厚度而產生一系列黑體；右邊是由COBE衛星測量到宇宙微波背景輻射（CMB）真實的完美黑體。注意右邊「誤差條」是驚人的400。理論與觀測之間一致是歷史性的。圖片：WIKIMEDIA COMMONS USER SCH (L); COBE/FIRAS, NASA / JPL-CALTECH (R)

此外我們知道隨著宇宙膨脹，這種輻射是如何在能量中演化的。光子能量與波長的倒數成正比。當宇宙只有現在的一半大小時，大爆炸產生的光子能量是現在的兩倍，而當宇宙只有現在的10%時，這些光子能量是現在的10倍。如果我們回到宇宙只有現在的0.092%時，會發現宇宙比現在溫度高1089倍：大約3000K。在這樣的溫度下，宇宙足夠熱，可以電離其中的所有原子，宇宙中所有的物質不是固體、液體或氣體，而是電離的等離子體。

宇宙中電子和質子是自由的，它們與光子發生碰撞，在宇宙膨脹和冷卻的過程中，轉變成對光子來說是透明的中性宇宙。圖這裡顯示的是在宇宙微波背景輻射（CMB）發射之前的電離等離子體(L)，接著是向一個中性宇宙(R)的過渡，這對光子來說是透明的。圖片：AMANDA YOHO

達到今天宇宙大小的方式是通過對以下三點共同理解：

1、今天的宇宙膨脹速度有多快，可以通過很多方法來測量

2、今天的宇宙有多熱，可以從宇宙微波背景輻射中得知

3、宇宙是由物質，輻射，中微子，反物質，暗物質，暗能量，等等組成

通過今天所知宇宙，可以推斷出熱大爆炸的最早階段，並得出宇宙的年齡和體積大小的數據。

宇宙的大小以光年為單位，與大爆炸後的時間相比，這是在對數標度上給出的，其中為了清楚而注釋了大量重要事件，這僅適用於可觀測到的宇宙。圖片：E. SIEGEL

從所有可用的觀測資料中：包括宇宙微波背景，但也包括超新星數據，大規模結構測量和重子聲學振蕩等等，得到了宇宙在大爆炸138億年後的現在是461億光年半徑。這是可觀測的極限值。再遠一點，即使是自大爆炸那一刻起以光速運動的物體也沒有足夠的時間到達地球。隨著時間推移，宇宙的年齡和大小將會增加，但人類所能觀測到的東西總是有限度的。

藝術描繪可觀測宇宙的對數尺度概念圖。請注意：人類觀測範圍是有限的，從大爆炸以來所發生的時間來看：138.2億年或者(包括宇宙的膨脹)460億光年。任何生活在宇宙中的人，無論在什麼地方，都能從他們有利位置看到幾乎完全一樣的東西。圖片：WIKIPEDIA USER PABLO CARLOS BUDASSI

那麼對於宇宙中超出可觀測範圍部分我們能說些什麼？只能根據所知道的物理定律，以及可以在可觀測宇宙中測量的事物做出推論。例如我們觀測到在最大的尺度上，宇宙在空間上是平坦的：它既不是正曲線，也不是負曲線，精確到0.25%。如果我們假設目前的物理定律是正確的，就可以對整個宇宙的大小設定限制，至少在宇宙重新彎曲回到自身之前，必須對宇宙的大小做出限制。

熱點和冷點大小以及它們的尺度，表明了宇宙的曲率。盡人類最大的能力，我們測量宇宙是完全平坦的，重子聲學振蕩提供了一種不同的方法來約束這一點，但也有相似的結果。圖片：SMOOT COSMOLOGY GROUP / LBL

斯隆數字巡天和普朗克衛星觀測是我們獲得最佳數據的方式。告訴我們如果宇宙確實在自身和閉合的情況下彎曲，我們能看到的部分與「不彎曲」是如此難以區分，以至於它至少是可觀測部分半徑的250倍。

這意味著不可觀測宇宙，假設沒有拓撲的奇異性，直徑必須至少有23兆光年（23萬億光年），並且包含的空間體積是人類所能觀測到體積的1500萬倍。然而，如果我們願意推測，可以相當有說服力地爭辯說：不可觀測宇宙應該比這大得多。

從地球人類的角度來看，可觀測宇宙半徑可能有460億光年，但肯定有更多的不可觀測宇宙，甚至可能是無限的，就像我們的宇宙一樣。隨著時間的推移可以看到一些，但不是很多。圖片：FRDRIC MICHEL AND ANDREW Z. COLVIN, ANNOTATED BY E. SIEGEL

正如我們所知：大爆炸可能標誌著可觀測宇宙的開始，但它並不標誌著空間和時間本身的誕生。在熱大爆炸之前，宇宙經歷了一段宇宙暴脹時期。宇宙不是充滿物質和輻射，也不是熾熱，而是：

1、充滿了空間結構本身的固有能量

2、以恆定的指數速率膨脹

3、創造新空間的速度如此之快，以至於最小物理長度尺度（即普朗克尺度），每10^-32秒就會延伸到目前可觀測宇宙的大小

膨脹導致空間呈指數級擴張，這很快就會導致任何已經存在的彎曲或非光滑的空間看起來都是平坦的。如果宇宙是彎曲的，它的曲率半徑至少是我們能觀測到的幾百倍。圖片：E. SIEGEL (L); NED WRIGHT』S COSMOLOGY TUTORIAL (R)

在我們這個宇宙區域，膨脹已經結束了，但有三個問題我們不知道答案會對宇宙的真實程度產生巨大影響？以及宇宙是否無限？

1、暴脹後的宇宙區域有多大，而創造了我們這個宇宙的熱大爆炸？

2、「永恆膨脹」的概念，至少在某些區域，宇宙永遠膨脹到未來是正確的嗎？

3、暴脹在結束前持續了多長時間以及由此產生的熱大爆炸？

（多元宇宙）大量發生大爆炸的獨立區域被不斷膨脹的空間分隔開來。但我們不知道如何測試，測量或者接觸到我們無法觀測到宇宙之外的東西。圖片：OZYTIVE - PUBLIC DOMAIN

除了所能觀測到的，科學家強烈地懷疑還有很多宇宙和我們這個一樣，有著同樣的物理定律，同樣的物理結構，同樣的宇宙結構，同樣複雜生命的機會。在暴脹結束的「泡沫」中，也應該有一個有限的大小和規模，而在暴脹的時空中，有指數級的巨大泡沫被包含在內。但正如整個宇宙（或多元宇宙）不可想像的大，它可能不是無限的。事實上，除非暴脹持續了無限長的時間，或者宇宙生來就是無限大的，否則宇宙的範圍將是有限的。

儘管可觀測到宇宙是如此之大，我們所能觀測到的範圍如此之廣，它也只是所能觀測到宇宙的一小部分而已。圖片：NASA, ESA, R. WINDHORST, S. COHEN, AND M. MECHTLEY (ASU), R. O』CONNELL (UVA), P. MCCARTHY (CARNEGIE OBS), N. HATHI (UC RIVERSIDE), R. RYAN (UC DAVIS), & H. YAN (TOSU)

但最大的問題是：目前沒有足夠的信息來明確回答這個問題，現階段或也只能給出理論上推論的答案；我們只知道如何在可觀測宇宙中獲取現有的信息（在460億光年的所有方向上）。對於宇宙是有限的，還是無限的最大問題答案可能是在宇宙中被編碼的，但是我們無法獲得足夠的信息來知道。除非能找到答案，或者想出一個聰明的方案來擴展人類所知道的物理學能力，否則我們所能得到的只有理論推論可能性。

博科園-科學科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

博科園-傳遞宇宙科學之美