宇宙有多大 ?

mca

有人說宇宙半徑 137 億光年，有說 460 億光年，更有說 780 億光年，究竟宇宙有多大呢 ?

其實答案全是觀點與角度，定義不同，答案也眾說紛揉。

A 派的答案
如果宇宙半徑指 "地球能夠見到最遠的光子距離"，答案會是 137 億光年，因為主流理論說宇宙最初是一奇點 (怎樣奇 ?  無可奉告)，之後它不斷膨脹，到現在已經歷 137 億年，宇宙初開時的光子已遠離我們 137 億光年了，一些人稱這 137 億光年距離為宇宙粒子視界 (cosmic particle horizon)、宇宙光視界 (cosmic light horizon)、宇宙視界、可見宇宙視界 .....  總之，沒有一致的名詞， 137 億光年就是我們可見的宇宙半徑。

B 派的答案  
另一派說，在 Big Bang 後的 137 億年歷史中，有部份宇宙空間的膨脹率快過光速，因此宇宙大小的定義應該是 “空間從奇點擴展到現在的半徑”， 如果空間擴展的範圍由地球中心起計，這個半徑一定大過 A 答案的 137 億光年，換言之，B 答案的所謂 "宇宙半徑" 應該大過 137 億光年。

那麼到底比 137 億光年大多少呢 ?  有說 460 億光年，780 億光年  .....，其理何在 ?  這要問答者了，反正所有答案都係 "一味靠估"。


通識參考
http://www.cfa.harvard.edu/seuforum/howfar/HowBigUniverse.pdf

WFC-3

Hi Alan,關於宇宙有多大的問題,我寫了一片文章跟大家一起分享,當中也包含一些個人
的想法。

狹義相對論指沒有東西行得比光速快,根據最新的數據,宇宙年齡為137億年,理論上宇宙大小不會比137億光年大,因為沒有東西能跑出137億光年以外的範圍,然而天文學家卻能觀測相反方向137億光年的天體,於是宇宙的直徑就有274億光年,天文學家必定認同相反方向傳來的微波背景輻射CMB是來至同一個宇宙,但為何宇宙廷身至比137億光年遠的距離?這就是宇宙學的視界問題。


天文學家有時所說的宇宙大小是指宇宙可觀察的範圍,即可觀察宇宙(Observable Universe),正確的答案是半徑460億光年,而不是137億光年,460億光年跟宇宙年齡一樣,是根據天文學家測量遙遠Ia型超新星的距離和CMB的資料,確定宇宙膨脹的速率的快慢而定,是考慮了暗能量令宇宙膨脹加速造成的影響。

置於宇宙真正有多大,天文學家一直都說這個問題實在難以解答,只能說可能是有限大或是無限大。

宇宙學家說137億光年是錯誤的,其實還另有原因,宇宙不是誕生自時間空間的某一點,而是時空跟宇宙一起誕生,於是我想到若宇宙的四維時空是有個起源的,它的大小必定是有限大的,剛誕的宇宙是個封閉的時空泡沬,宇宙的大小是由宇宙的膨脹速率所決定的,宇宙膨脹得愈快,宇宙的尺度就會愈大,例如來至137億年前的光子,發射源在137億年前與我們近在咫尺,現在已因空間的膨脹退行至460億光年遠的距離(這忽略宇宙38萬歲之前的電離狀態)。

粒子物理兼宇宙學家古斯(Alan Guth)提出的暴脹理論(Inflation Theory),認為大爆炸(Big Bang)並不是宇宙的起點,大爆炸之前宇宙經歷過一次超光速的暴脹期,在10的負34次方秒內膨脹了至少10的26次方倍,暴脹在基本粒子形成的一刻即大爆炸時期減緩,宇宙的減速膨脹一直持續至50億年前,期後再度輕微加速。

暴脹理論一直廣被科學界接受,因為很多天文觀測結果都與暴脹理論吻合,它就其解釋了宇宙學的視界問題和平坦問題,似乎很難找到取代他的另類理論。

Alan Guth後來根據廣義相對論和量子力學的計算結果,顯示整個宇宙不可能均勻地發生暴脹和大爆炸,暴脹會在宇宙局部地區停止或持續發生,這暗示在可觀測以外的宇宙某些地方今天仍然發生超光速的暴脹,暴脹只是在我們所見的區域結束了,但他不肯定整個暴脹宇宙是否有起點和終結,他希望弦理論(String Theory)能解答這個問題。

所以綜合以上種種,回答關於宇宙大小的問題,可歸納如下:

1.在可觀測的哈伯半徑(Hubble Radius)460億光年以外遠10的26次方倍的宇宙,可能存在某類邊界,這是宇宙中不同相的邊界,就像海上的浮冰,我們所處的浮冰內充滿星系稱為「真真空」(True Vacuum),以外便是更大的暴脹宇宙,整個暴脹宇宙產了無數個大爆炸浮冰宇宙島,暴脹的區域今天仍處於基本粒子未形成的過冷(Supercooling State)的「假真空」(False Vacuum)態。

2.假如暴脹宇宙是「無始無終」的,宇宙就是無限大的。

3..假如暴脹宇宙是「有始有終」或「有始無終」的,宇宙就會是有限大的,由於暴脹實在太快,空間會以極速擴大,
結果宇宙真正大小會是極大的天文數字,可以比Observable Universe大上100個數量級以上。

WFC-3

mca

謝謝你的分享，我也講講個人的觀點。

如果有人問我 宇宙有多大，我會給兩個答案任君選擇，
一個叫 "宇宙視界" (計算值是 137 億光年)，
另一個叫 "已知宇宙半徑" (依據 WMAP 提供的資料約為 460 億光年)，
見下面示意圖：

      


不過我不會把 圖中的 "460 億光年" 解為 "可觀測的宇宙半徑" 或 "可觀測的哈伯半徑"，當然這只是我個人觀點。

某些人取巧說他可以見到 "超光速" 的星系，其實就是指上圖的 M，正確說法應該是：

他可以見到 現時超光速的 M (Not observable 位置 2)
在 137 億年前的影像 (Observable 位置 1)。      

Alan

Ps  WMAP 提供的資料在
http://lambda.gsfc.nasa.gov/prod ... r_basic_results.pdf
(Page 39 列出的 14116  Mpc 約等於 460 億光年)

------------------
(補充)
我的整體印象就是 :  以 WMAP 提供的資料為據，目前已知的宇宙半徑 (即由 Big Bang 擴展到現在的空間半徑) 是 460 億光年，其中前段的 137 億光年範圍是可以觀測的，後段 (137 至 460 億光年) 是未能觀測的，只好靠主觀意識去理解了，至於在 460 億光年以外的所謂 “10 的 26 次方倍的宇宙”，更玄 !  它已超出我的想像能力。

Alan

mca

大家有沒有留意到，當涉及 "宇宙有多大 ?" 這個長久的疑難時，HubbleSite 網站都不會正面回答"距離" 數字，它只說哈勃太空望遠鏡最遠可以看到 Big Bang 開始後 xxx 百萬年的宇宙。




這說明什麼呢 ?  就是 "宇宙有多大 ?" 仍然沒法答得準，到現在多數人都認同宇宙年齡 (指 Big Bang 模型的宇宙年齡) = 137 億年，這個數值曾經歷大半個世紀才修正到此地步，但究竟這 137 億年膨脹代表多大的宇宙範圍呢 ?   至今還未有成熟的答案，較接近的答案可能是 WMAP 提供的 "460 億光年半徑"，但 WMAP 沒有 define 這就是宇宙的大小 !   請留意宇宙論的數字向來都是多變的，舊理論的缺陷浮現時又有修補理論提出來，以前得到的舊印象便有大改變，我記得 2004 年主流仍說宇宙傾向封閉型 (膨脹後再收縮)，因為宇宙密度參數  Ω > 1，近年則改說宇宙是近乎平直的，因為  Ω = 1.02 ± 0.02，

簡見  http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/astro/denpar.html
詳見  WMAP 網址  http://lambda.gsfc.nasa.gov/prod ... r_basic_results.pdf

            


未來十年的答案變化可能更大。

Zubenelgenubi

宇宙 size（or 半徑？） =
46 billion light-years × 10的26次方倍（・・？

那裡就有某類邊界？
是怎樣旳邊界呢（・・？

Zubenelgenubi

Einstein：Do you really think the moon isn't there if you aren't looking at it?



Bohr, in response：Einstein, don't tell God what to do ＞＜“


其實呢啲數據應該只可以作為參考之用，絕對唔可能當成實數！
量子力學亦只係從假設裡得到正確的結論，理得佢宇宙真係有幾大呀（~_~メ）
地球有幾大，我都唔係咁Care嫁   ╮"  ╯_╰╭"

mca

回應 #6 (其實這討論有點哲學)

我頗有同感，很多 "認為" 都是先從假設，後來計數得出來的結果。數學只是眾多知識中的一種工具，工具不等於宇宙的真理，可惜我不知 "真理" ，只好暫時相信計算的結果直至被新的發現取代。

不過咁，你吾 care 地球有多大係你嘅事，人地 care 呀。

Zubenelgenubi

咁我又唔可以完全唔care嘅！
只係無需下下掛係口邊：地球半徑 6378.137 km（講出籬，都想像唔到啦）

WFC-3

回復 6# Zubenelgenubi

我也覺得「宇宙起源」跟「宇宙大小」一樣，你理得宇宙如何開始?怎樣開始呀?

不過你唔Care，科學界還很care吧!

10^26只是一個猜測性的數，準確數字無法確定，也有可能達10^30數量級，依據天文學家所觀測到宇宙的行徑和現象，假如暴脹是正確的,宇宙必定比望遠鏡所能見的地方大上無數倍。

是甚麽邊界?
WFC-3在上文寫道:

在可觀測的哈伯半徑(Hubble Radius)460億光年以外遠10的26次方倍的宇宙,可能存在某類邊界,這是宇宙中不同相的邊界,就像海上的浮冰,我們所處的浮冰內充滿星系稱為「真真空」(True Vacuum),以外便是更大的暴脹宇宙,整個暴脹宇宙產了無數個大爆炸浮冰宇宙島,暴脹的區域今天仍處於基本粒子未形成的過冷(Supercooling State)的「假真空」(False Vacuum)態。

此理論應認不是整個宇宙也充滿星系吧!

Zubenelgenubi

其實人們思索宇宙大小的情義結，同當年航海家要駛至天邊海角一般，似乎亦係心理學旳一種表現。今天回看大地只不過是處處接在一起，原來當天要走到世界盡頭的想法，似乎是有點傻。



有說無限大和無限小，是相連的，那才是精髓。
但其實宇宙大小又未必如大家一廂情願所想：盡是三維的無限延伸，因為極可能在無限處是沒有意義的，相反可能是更高次元的表現。String Theory算出，這毎宇宙起碼都有十一次元之階，那比較比尋找和想像限無大的三維世界有意思得多了 ＞＜“