当我们谈论一些极为庞大的事物时,通常会采用将其等比缩小的方法,使其落入我们能够直观理解的范围之内,那么,我们已知最大的事物是什么呢?答案当然就是宇宙。所以问题就来了,如果地球只有1厘米,等比缩小的宇宙会有多大呢?下面我们就来讨论一下。
已知地球的直径大约是12742公里,通过简单计算可得出,如果地球只有1厘米,其实就是将地球直径缩小为原来的12.742亿分之1,按相同比例缩小的话,太阳的直径就将缩小到大约1.1米,而日地距离则将缩小到大约117米,就算是太阳系的直径(以奥尔特云为边界),也将只有大约1.5万公里,可以看到,这样的缩小比例是非常夸张的。
由于光速是有限的,因此我们其实只能看到宇宙中的一部分,这也被称为可观测宇宙,这是一个以地球为中心,直径约为920亿光年的球体空间,如果我们将其等比缩小,那么可观测宇宙的直径,仍然可以达到大约72.2光年。
需要知道的是,光年是天文学中用来描述宇宙天体之间距离的一种长度单位,根据定义,1光年就是以真空中的光速直线前进1年(儒略年,365.25天)的距离,换算下来大约就是9.46万亿公里,而对于我们人类来讲,即使是1光年,也是难以企及的距离。
举个例子,目前距离地球最远,未来有望飞出太阳系的探测器——旅行者1号,其当前速度约为17公里/秒,而以这样的速度,却需要大约1.76万年的时间,才能够跨越1光年的距离……
那么,如果将我们观测不到的那部分宇宙也算进去,整个宇宙在等比缩小后又有多大呢?要回答这个问题,我们首先需要知道整个宇宙到底有多大。
根据广义相对论,空间是一种客观的存在,并且还会因为物质的质量而发生弯曲,而根据宇宙学原理,宇宙中的每一处空间都是等效的,据此可以推测出,宇宙的形状应该是由宇宙中所有物质的质量“合力”塑造的,所以它应该具备一个整体上的曲率。
从理论上来讲,这种曲率只有3种可能,如果曲率为正,宇宙的整体形状就是一个三维球面,如果为负,则是一个三维马鞍面,如果为零,就是平坦的三维空间(如下图所示)。
可以看到,在曲率为负和零的情况下,宇宙就是开放的,而这也就意味着,这样的宇宙是无限大的,而如果曲率为正,宇宙就是封闭的,在这种情况下,宇宙的大小就是有限的。
那么,宇宙到底属于哪一种可能呢?很明显,我们需要去测量宇宙空间的曲率,怎么测量呢?答案或许就隐藏在宇宙微波背景辐射之中。
简单来讲,宇宙微波背景辐射是宇宙诞生时留下的古老光线,这些光线经过漫长的时间和空间扩展,现在已经转化为微波,均匀地散布在整个宇宙。
科学家认为,我们所观测到的宇宙微波背景辐射的光子,其实已经在传播了极为遥远的距离,假如宇宙空间真的存在曲率,这些光子必然会受到这种曲率的影响,进而表现出相应的特征(如下图所示)。
在过去的日子里,科学家已经对此进行过大量的观测和研究,得出的结果基本上都是:宇宙的曲率非常接近零。而这也就强烈暗示了,宇宙很可能是无限大的,而如果真是这样的话,那我们的问题就没有讨论的必要的,毕竟把一个无限大的宇宙缩小到原来的12.742亿分之1,它依然是无限大的。
然而我们却不能排除这样一种情况,即:宇宙的大小是有限的,但由于它的尺度很大,以至于在我们可观测到的有限范围内察觉不到它的曲率。这就好比是,地球本身是圆的,但由于我们在地球表面上所能观察到的范围通常都很小,因此我们很难察觉到地球本身的曲率。
根据科学家的计算,如果宇宙真是属于这种情况的话,那么整个宇宙的直径,将至少是可观测宇宙的250倍(大约23万亿光年)。也就是说,在此假设成立的基础上,如果将整个宇宙缩小到原来的12.742亿分之1,其直径仍然高达1.8万光年以上。
综上所述我们可以清楚地了解到,宇宙实在太大了,仅仅是可观测宇宙,就大得令我们叹为观止,而在此范围之外,还存在着更加广袤的世界,人类未来真的可以在宇宙中畅游吗?这是一个令人深思的问题。