作者 | 李杰信 [加]尼爾·圖羅克

我們的宇宙到底有多大？它又是如何長到這么大的呢？先說結(jié)論：宇宙一直在變大。若以愛因斯坦的廣義相對論為準，算上宇宙膨脹的影響，它的半徑約為465億光年，合直徑930億光年，壽命為138億年。

很多人看到這估計都有些困惑，930億光年？這究竟是個什么概念？讓我們從最熟悉的地球開始講起。乘民航機橫越太平洋約需12小時，如果乘它去月球，要18天。地球與太陽的距離為1個天文單位，相當于1.5億千米，光需走8分19秒，民航機則要20年，去木星要82年，而去前太陽系第9顆行星——冥王星，更長達750年。離太陽系最近的恒星為半人馬座比鄰星，距地球約4.2光年，乘民航機需500萬年。

500萬年，對人類而言太久了。而這個長度，甚至還不及宇宙半徑的一個零頭。那么咱們的宇宙為何會如此之大呢？這還是源于最初的一個命題——宇宙膨脹。

一直在膨脹的宇宙

想象一個完美的光球，只有1毫米大。它是你可以想象的最亮的、光度最密集的球，如果你考慮把太陽壓縮到原子大小，也許可以幫助你想象這個光球的內(nèi)部是多么耀眼。如此高的溫度，任何原子甚至原子核都不可能幸免。它們都被分離成基本粒子構(gòu)成等離子和光的能量子——光子。

現(xiàn)在這個光球以你不可想象的速度膨脹，1秒鐘之內(nèi)，它就已經(jīng)有1千光年大了。光球體積的變化并不是爆炸導致的，因為任何粒子甚至光子都不可能以如此快的速度移動。事實上，是光球中的空間在膨脹。隨著它的膨脹，光子的波長會被拉長，它們變得不再那么高能，等離子的溫度也會降低。宇宙膨脹后的第一秒，溫度是100億度，光子仍舊有足夠的能量摧毀原子核。

隨著光球內(nèi)部空間的繼續(xù)膨脹。等離子體的溫度繼續(xù)冷卻，物質(zhì)粒子已經(jīng)能夠聚集在一起形成原子核了。膨脹開始后的10分鐘，最輕的化學元素——氫、氦、鋰——的原子核已經(jīng)形成了，更重的一些化學元素的原核，比如碳、氮和氧將會在恒星和超新星中形成。

光球繼續(xù)膨脹，但是速度已經(jīng)明顯降低了。經(jīng)過40萬年，它的大小已經(jīng)到達1千萬光年。它的溫度已經(jīng)足夠低以至于原子核可以捕獲電子而形成第一代原子。它的環(huán)境與太陽表面上千度的溫度很相似。這時空間仍舊在膨脹，只是速度要低得多，它仍然均勻地充斥著以物質(zhì)和輻射為基本特征的等離子體。但是當我們環(huán)視整個空間時，我們已經(jīng)可以看到一些很小的密度和溫度的變化，雖然這些只是十萬分之一的相對變化。就像是海洋里的波浪一樣，這些密度的小波瀾從小到大出現(xiàn)在所有的尺度。

隨著宇宙的膨脹，引力使得這些小波動越來越強大，就如同海浪逼近岸邊時一樣。密度稍大的區(qū)域會變得更加致密而塌縮成星系、恒星或行星。密度稍低的區(qū)域則會膨脹而填充星系之間的空間。在距宇宙爆炸后的138億年后的今天，那個毫米大的明亮光球已經(jīng)成長為一個擁有千億個星系和恒星的巨大空間。

人類的等待，動輒上億年

宇宙向大體積方向膨脹，溫度隨之降低。宇宙的溫度要以電磁波的強弱來測量。電磁波是能量的一種，其他能量還有物質(zhì)的動能、勢能等。電磁波的波長愈短，能量愈高，比如伽馬射線和X射線。反之，波長長的電波能量低，比如微波和無線電波等。所有的能量都可用溫度表示，能量高，則溫度高；能量低，則溫度低。

宇宙在37.6萬年時，原始等離子體振蕩中止。中止的原因是質(zhì)子抓住了慢跑的電子，一下子宇宙的電量變?yōu)榱?，成為中性，光子、電子和質(zhì)子間的擠推力量消失。在現(xiàn)代的實驗室里，我們可以量出在3000K溫度時，電子速度慢到可以讓質(zhì)子以正負電相吸的力量將其逮住。

若以數(shù)值來考量，在宇宙中，我們皆以絕對溫度K（Kelvin）為度量標準。水的沸點373K、冰點273K；太陽表面溫度5777K等。電磁微波，在宇宙37.6萬年時，因為沒有電子和質(zhì)子擋路，以3000K的能量開始充滿了當時的宇宙。經(jīng)過了138億年，因宇宙膨脹，電磁波被拉長，溫度已經(jīng)降到了2.7250K。宇宙體積小時，溫度高；體積膨脹后，溫度變低。體積和溫度成反比，為熱力學的基本常識。

所以，宇宙從37.6萬年起，經(jīng)過138億年，已膨脹了約3000/2.7250=1100倍，和文獻中以相對論精確計算出來的1292倍大致符合。星系間的距離，因宇宙空間每分每秒永無休止地膨脹，如銀河系和室女座星系團里的M61間的距離，136億年前可近到4萬光年，到如今已分離到5000多萬光年，而這個距離還在持續(xù)增加中。

宇宙永無休止地膨脹著。在宇宙中的觀測，光源一面向你的方向發(fā)射光能，同時又因空間膨脹背你而去；而你的觀測站，在等待的同時，也向光源相反方向移動，并且你等待的時間，動輒上億年。

說到這里，你是否也想探索更多關(guān)于宇宙的奧秘？《宇宙起源》、《宇宙的秘密》兩冊書，能帶你經(jīng)歷一次穿越時空的神奇之旅，讓你在體驗一次又一次激動人心的前沿科研成果的同時，感受一個又一個人類探索宇宙和認識自身的扣人心弦的故事……

文章摘編自《宇宙起源》、《宇宙的秘密》

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