👳🏿 🐸 📫 最小宇宙尺寸 🧖🏽 🎲 ⛰️

观察到的宇宙

说到我们的宇宙，我们将“宇宙”与“可观察的宇宙”区分开来。后者仅包括我们所看到的。我并不是说我们拥有真正“看到”整个可观察宇宙的技术。我的意思是，鉴于宇宙的生命周期，光速以及宇宙的历史和未来的扩展，从原则上说，所有可以从光到达我们的物体都是“可观察的”。宇宙的年龄是138亿年。由于光速有限，我们无法看到距离我们如此遥远的地方，以至于光向我们传播需要比宇宙存在更多的时间。这不是技术限制，而是在原则上是否存在可以查看是否有可用技术的光线的限制。

当我们观察可观察到的宇宙的郊区时，我们会回顾过去。如果光花了137亿年才能到达我们，那么我们所看到的是137亿年前的宇宙，而不是现在的宇宙。

通常，宇宙可能是无限的。陈述起来很简单，但是如果您考虑一下，则很难想象这个概念。解决此问题的方法之一是建议不要对此进行打扰。如果您问自己诸如“如果它是无限的，它将如何扩展”之类的问题，您会误解无限。无限是一个概念，而不是数字。

但是，宇宙不一定是无限的。根据广义相对论，还有其他可能性。我将它们分为两类，但我们仅详细讨论其中之一。

有趣的拓扑

宇宙可能具有有趣的拓扑。拓扑不同于几何。几何包括线长，曲率半径，多边形的角度之和等。拓扑处理空间的不同部分如何互连。

例如，考虑经典的Asteroids游戏：

游戏是在很小的二维宇宙中进行的。小行星宇宙的几何形状是欧几里得-平行线不相交，周长与直径之比为π，三角形的三个内角之和为180°，依此类推。但是，如果您玩了这个游戏，您就会知道，如果离开屏幕的左边缘，您将从右边缘返回。如果离开顶部边缘，则将从底部返回。宇宙没有边界，您将永远不会碰到边界或边缘。但是她是有限的。它的拓扑是环形的-与甜甜圈表面的拓扑相同，尽管其几何形状与甜甜圈的几何形状不同（甜甜圈表面是弯曲的）。

我们的宇宙可能表现出相同的行为。它可能具有平坦的几何形状，但是这种拓扑结构使您如果向一个方向移动，就会回到原来的位置。如果它确实具有这样的拓扑，则它的规模将大于观察到的宇宙。否则，我们将在微波宇宙辐射中看到这种拓扑的确认（例如，如果宇宙在一个方向上长时间行进，则宇宙的各个部分将相互重复）。

因此，现在，我们将假定宇宙没有有趣的拓扑。这是无限空间，还是这是有限空间，它是球体表面的三维等效项。

宇宙的可能几何形状

宇宙的几何不必一定是欧几里得。根据总能量密度（包括普通物质，暗物质和暗能量的密度），宇宙曲率存在三种可能性。

参数Ω是讨论宇宙密度的便捷方法。临界密度取决于宇宙当前的膨胀率。她是9 * 10 ^-30克/厘米似乎有点少，但请记住，宇宙几乎是空的。与大多数宇宙相比，地球是一个相对密集的地方。参数Ω定义为宇宙密度与临界值的比率。如果Ω= 1，则宇宙的几何形状是平坦的。平面-在您习惯谈论平面的意义上，并不表示二维。这意味着空间的几何形状是欧几里得，就像您在学校学习的那样。

如果Ω> 1，则将关闭宇宙的几何。在这种情况下，宇宙的几何形状将与二维超球面的三维表面的几何形状相同。如果听起来不清楚，请将其想象为球面的三维等效物。在这种情况下，三维超球面不必具有第四空间维度。这仅表示宇宙的几何形状（平行线的行为方式，三角形的角度之和或周长与直径之比）与球体表面的几何形状相同。可以仅使用三个空间维度来描述这种几何形状的数学，因此可能不需要更高的维度。但是，出于我们描述的需要，值得想象一下球体的表面，因为这将有助于您了解这种宇宙的结构。球体的表面是二维封闭的宇宙。请记住，宇宙是一个表面。它没有中心，它不在宇宙之内-因为它包含的所有东西都在球体的表面上，并且它的一点都不不同于其他点。

如果Ω<1，则宇宙的几何是开放的。这很难想象。一个开放的三维宇宙的一部分不能推入三个维度进行可视化，因为它随一个封闭的宇宙滚动。但是，最接近的二维等效项是鞍形或切屑（双曲线或双曲线抛物面）。它是一个无限而无限的宇宙。它永远持续下去。但是，它不是平坦的，将具有有趣的几何形状。

我们宇宙的几何

宇宙的几何形状可以通过多种方式找到。例如，在空间中，您可以构建三条线的三角形。然后，您需要测量每对线之间的角度。如果将它们折叠起来并获得180°，则说明您处在平坦的宇宙中。如果总和超过180°，它将是一个封闭的宇宙。如果它小于180°，那么它将是一个开放的宇宙。唯一的问题是测量的准确性。您需要以难以置信的精度测量这些角度，或者绘制非常大的三角形-使其侧面之一的长度接近宇宙的曲率半径。（近似程度取决于测量角度的精度）。

实际上，我们做到了。微波宇宙辐射（MKI）的测量结果为三角形。三角形的一侧是根据MCI中波动的特征大小获得的。我们知道他们的体型。其他的则来自光从这种波动的两侧传播的路径。通过测量来自每一侧的光线之间的角度，我们可以找出三角形的几何形状。我们做到了。答：我们的宇宙是平坦的。但是，与任何物理量一样，我们的测量中存在误差。根据最新计算，Ω值在0.9916和1.0133之间，准确度为95％。这意味着我们的宇宙仍然存在无限（Ω≤1）或有限（Ω> 1）的可能性。

我们宇宙的最小尺寸

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我们向道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）道歉，并计算出我们的宇宙大小。

首先，宇宙的年龄是138亿年。与我们的生活相比，这是一个很长的时间，但是对于宇宙来说，这个年龄是非常合适的。可观察到的宇宙的边缘离我们有480亿光年。 “等一下！”您可以尖叫。 “在138亿年中，光如何在480亿光年的距离上传播！”记住，在光辉降临的时候，宇宙膨胀了。从某种意义上讲，光正试图赶上扩张。这是一个不完善的描述，如果您知道服务站，便会介意的。但这在GR的背景下是有道理的。

这个大小与宇宙的整体大小有何关系？如果我们假设Ω= 1.0133，并且这是与当前数据相对应的最大能量密度，因此也是闭合宇宙中的最小能量密度，那么我们可以计算宇宙的大小。结果看起来像这样：

球体的表面表示整个宇宙的大小，其中Ω= 1.0133。枯燥的部分在我们正在观察的宇宙之外。上面的一块是可观察的宇宙。这个宇宙的曲率半径为1200亿光年。其周长为7600亿光年。这意味着可观察的宇宙的直径是必须在空间中绘制以使其自身闭合的线的总长度的1/8。整个宇宙的体积是可观测体积的100倍。（如果您反对8 ³不等于100，请记住我们的空间是非欧几里德的，并且您对半径和体积的直觉不起作用）。

回想一下，根据我们的数据，这是宇宙的最小大小。大多数人怀疑宇宙确实比这大得多，并且可能是无限的。

大小和命运无关

打开2000年之前写的任何有关宇宙学的书（以及一些较新的书）后，您很可能会读到封闭的宇宙将崩溃，开放的宇宙将永远扩展。但这仅在宇宙暗能量的密度为零的情况下！这些描述暗含着物质控制着我们的宇宙，在这种情况下，宇宙的几何形状和命运紧密相关。在像我们这样的宇宙中，存在着暗能量，命运和几何形状并不是那么紧密相连。暗物质和暗能量对宇宙的形态及其命运都有影响，但对宇宙的影响却不同。我们的宇宙到底会发生什么，取决于什么样的暗能量。但是如果她是我们大多数人的想象，宇宙将永远膨胀，银河系星团将继续彼此分离。我们的宇宙是平坦的，开放的还是封闭的都没关系。