作者 | 李傑信 [加]尼爾·圖羅克

我們(men) 的宇宙到底有多大？它又是如何長到這麽(me) 大的呢？先說結論：宇宙一直在變大。若以愛因斯坦的廣義(yi) 相對論為(wei) 準，算上宇宙膨脹的影響，它的半徑約為(wei) 465億(yi) 光年，合直徑930億(yi) 光年，壽命為(wei) 138億(yi) 年。

很多人看到這估計都有些困惑，930億(yi) 光年？這究竟是個(ge) 什麽(me) 概念？讓我們(men) 從(cong) 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(yu) 太陽的距離為(wei) 1個(ge) 天文單位，相當於(yu) 1.5億(yi) 千米，光需走8分19秒，民航機則要20年，去木星要82年，而去前太陽係第9顆行星——冥王星，更長達750年。離太陽係最近的恒星為(wei) 半人馬座比鄰星，距地球約4.2光年，乘民航機需500萬(wan) 年。

500萬(wan) 年，對人類而言太久了。而這個(ge) 長度，甚至還不及宇宙半徑的一個(ge) 零頭。那麽(me) 咱們(men) 的宇宙為(wei) 何會(hui) 如此之大呢？這還是源於(yu) 最初的一個(ge) 命題——宇宙膨脹。

一直在膨脹的宇宙

想象一個(ge) 完美的光球，隻有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(ge) 光球的內(nei) 部是多麽(me) 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(men) 都被分離成基本粒子構成等離子和光的能量子——光子。

現在這個(ge) 光球以你不可想象的速度膨脹，1秒鍾之內(nei) ，它就已經有1千光年大了。光球體(ti) 積的變化並不是爆炸導致的，因為(wei) 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(hui) 被拉長，它們(men) 變得不再那麽(me) 高能，等離子的溫度也會(hui) 降低。宇宙膨脹後的第一秒，溫度是100億(yi) 度，光子仍舊有足夠的能量摧毀原子核。

隨著光球內(nei) 部空間的繼續膨脹。等離子體(ti) 的溫度繼續冷卻，物質粒子已經能夠聚集在一起形成原子核了。膨脹開始後的10分鍾，最輕的化學元素——氫、氦、鋰——的原子核已經形成了，更重的一些化學元素的原核，比如碳、氮和氧將會(hui) 在恒星和超新星中形成。

光球繼續膨脹，但是速度已經明顯降低了。經過40萬(wan) 年，它的大小已經到達1千萬(wan) 光年。它的溫度已經足夠低以至於(yu) 原子核可以捕獲電子而形成第一代原子。它的環境與(yu) 太陽表麵上千度的溫度很相似。這時空間仍舊在膨脹，隻是速度要低得多，它仍然均勻地充斥著以物質和輻射為(wei) 基本特征的等離子體(ti) 。但是當我們(men) 環視整個(ge) 空間時，我們(men) 已經可以看到一些很小的密度和溫度的變化，雖然這些隻是十萬(wan) 分之一的相對變化。就像是海洋裏的波浪一樣，這些密度的小波瀾從(cong) 小到大出現在所有的尺度。

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。密度稍大的區域會(hui) 變得更加致密而塌縮成星係、恒星或行星。密度稍低的區域則會(hui) 膨脹而填充星係之間的空間。在距宇宙爆炸後的138億(yi) 年後的今天，那個(ge) 毫米大的明亮光球已經成長為(wei) 一個(ge) 擁有千億(yi) 個(ge) 星係和恒星的巨大空間。

人類的等待，動輒上億(yi) 年

宇宙向大體(ti) 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(wan) 年時，原始等離子體(ti) 振蕩中止。中止的原因是質子抓住了慢跑的電子，一下子宇宙的電量變為(wei) 零，成為(wei) 中性，光子、電子和質子間的擠推力量消失。在現代的實驗室裏，我們(men) 可以量出在3000K溫度時，電子速度慢到可以讓質子以正負電相吸的力量將其逮住。

若以數值來考量，在宇宙中，我們(men) 皆以絕對溫度K（Kelvin）為(wei) 度量標準。水的沸點373K、冰點273K；太陽表麵溫度5777K等。電磁微波，在宇宙37.6萬(wan) 年時，因為(wei) 沒有電子和質子擋路，以3000K的能量開始充滿了當時的宇宙。經過了138億(yi) 年，因宇宙膨脹，電磁波被拉長，溫度已經降到了2.7250K。宇宙體(ti) 積小時，溫度高；體(ti) 積膨脹後，溫度變低。體(ti) 積和溫度成反比，為(wei) 熱力學的基本常識。

所以，宇宙從(cong) 37.6萬(wan) 年起，經過138億(yi) 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。星係間的距離，因宇宙空間每分每秒永無休止地膨脹，如銀河係和室女座星係團裏的M61間的距離，136億(yi) 年前可近到4萬(wan) 光年，到如今已分離到5000多萬(wan) 光年，而這個(ge) 距離還在持續增加中。

宇宙永無休止地膨脹著。在宇宙中的觀測，光源一麵向你的方向發射光能，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，並且你等待的時間，動輒上億(yi) 年。

說到這裏，你是否也想探索更多關(guan) 於(yu) 宇宙的奧秘？《宇宙起源》、《宇宙的秘密》兩(liang) 冊(ce) 書(shu) ，能帶你經曆一次穿越時空的神奇之旅，讓你在體(ti) 驗一次又一次激動人心的前沿科研成果的同時，感受一個(ge) 又一個(ge) 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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