问伊森：新生宇宙有多大？

您也许想像出宇宙是无限的，并且坦率地说，它确实可以变成那样-但我认为我们永远不会知道。多亏了宇宙大爆炸-宇宙有生日，而且我们不能无限地倒带时间-以及光速有限，这一事实限制了我们可以观察到宇宙的哪个部分。活到今天，宇宙的可观测部分已有138亿年的历史，从我们各个方向延伸了超过461亿光年。那么，138亿年前的规模是多少？乔·穆斯卡雷利亚（Jos Muscarella）问：

在宇宙膨胀结束后，我对宇宙的规模有不同的解释。一个消息来源声称它的大小是0.77厘米，另一个消息来源是一个足球的大小，而第三个消息则大于可观察到的宇宙。那么正确的答案是什么？

事实证明，对爱因斯坦的工作和时空的性质提出疑问是一个好年头。这与广义相对论诞辰100周年相吻合。让我们开始讨论我们看到的宇宙。



在我们的望远镜可以观察到远处的星系的情况下，我们可以轻松地测量特定星系的一些参数，即：

•它的红移的大小，即它们从惯性静止系统发射的光的移动；
•可见的亮度或数量光在很长的距离到达我们，
•它在天空中占据的视在大小或角度大小。

这非常重要，因为如果我们知道光速（我们可以肯定知道的几件事之一）以及物体的固有亮度或尺寸（我们相信物体对我们来说是已知的），那么我们可以计算出该物体离我们有多远



实际上，我们只能使用一些假设来估计对象的亮度和大小。如果您在遥远的星系中看到超新星爆炸，那么您将根据观测到的更接近的超新星假设其自身的亮度，但是您还假设该超新星具有相同的环境，相同的环境，并且您与它之间没有没有什么可以改变您收到的信号的。天文学家将这三个假设称为进化的影响（是否较旧/较远的天体不同），环境（无论这些天体是否根本不在我们认为的位置）和灭绝（如果有东西挡住了光线），除了这些影响外，还我们不怀疑其影响力。



如果我们正确猜出了可见物体的固有亮度（或大小），则可以基于亮度与距离的简单比率，确定到它们的距离。此外，通过测量红移，您可以找出在光到达我们的时间内宇宙膨胀了多少。而且由于物质/能量与时空之间存在着非常明确的关系-爱因斯坦广义相对论给我们带来了什么-我们可以使用此信息来确定宇宙中存在的所有形式的物质和能量的不同组合。

但这还不是全部！



如果您知道您的宇宙是什么组成的，那么我们就可以做到：

•0.01％-辐射（光子）
•0.1％-中微子（质量比电子小一百万倍）
•4.9％-普通物质，包括行星，恒星，星系，气体，尘埃，等离子，黑洞
•27％-暗物质，在重力作用下与普通物质相互作用，但不同于标准模型的所有粒子
•68％-暗能量，会引起膨胀宇宙加速，

那么您可以使用该知识将时间反向推算到宇宙过去的任何一点，并找出当时能量密度的混合形式以及随时的大小。

所以，特别是对你来说，乔，我做了所有的计算。他以对数尺度指出了它们的更多信息。



可以看出，尽管今天暗能量的贡献很大，但这种情况最近才出现。在宇宙历史的前90亿年中，物质（正常物质和暗物质的结合）是宇宙的主要组成部分。但是在最初的几千年里，辐射（以光子和中微子的形式）比物质甚至更重要！

我之所以列出所有这些，是因为辐射，物质，暗能量的不同成分以不同的方式影响宇宙的膨胀。尽管我们知道今天的宇宙在任何方向上的延伸超过461亿光年，但要在给定的时刻计算其大小，我们仍需要知道过去每个时代的确切组合。这是它的外观。



过去的一些有趣的里程碑：

•银河系的直径为100,000光年。可观测的宇宙在3岁时就具有这样的半径。
•当宇宙有一岁时，它比今天更热更密。这意味着宇宙的温度超过了200万开尔文。
•一秒钟大的时候，她太热了以至于无法出现稳定的核。质子和中子处于热的等离子体海中。另外，整个可观测宇宙的半径如此之大，以至于如果我们围绕当前太阳勾勒出它的轮廓，它将仅包括最近的七个恒星系统，其中最远的是罗斯154 [ 9.6光年-大约9.6光年。佩雷夫 ]
•一旦宇宙半径等于从地球到太阳的距离，它就老化了 $$秒。当时宇宙的膨胀率在$10^{-12}$$$今天的 29倍。 我们可以往返于首次出现通货膨胀的地方，从而引发了大爆炸。我们想将宇宙外推到奇点，但是通货膨胀消除了这种需要。它用无限期的指数扩展期代替了它，并以与宇宙的开始相关的炽热，密集和扩展状态的诞生结束。我们正在将通货膨胀的最后一小部分联系在一起$10^{29}$

$$到$10^{-30}$$$秒。每当这种情况发生时，我们就需要在通货膨胀结束和大爆炸开始之初，精确地计算出宇宙的大小。这个图像有些过时了-宇宙的年龄是138亿年 ，再一次，我们谈论的是被观测宇宙的大小。真正的“宇宙大小”可能比我们看到的要大得多，但我们不知道有多少。我们最好的观测结果（斯隆数字天空测量和普朗克天文台）清楚地表明，即使宇宙弯曲，将自己封闭在某个地方，那么我们所看到的部分与平坦的宇宙也是如此，以至于整个宇宙至少应比其观察部分的半径大250倍。$10^{-35}$






原则上，它通常可以是无限的，因为我们不知道它在通货膨胀的早期阶段所做的事情。从我们根据观察得出的关于通货膨胀的判断来看，通货膨胀史上最后一刻之前发生的所有事情都已清除。但是，如果我们谈论观察到的宇宙的大小，并认为我们只能实现$$和$10^{-30}$$$在大爆炸发生前 10 到35秒的膨胀时间，那么我们知道，那时观测到的宇宙部分是从17厘米大小开始的（对于$10^{-35}$$$）至168米（对于$10^{-35}$$$），而这些是热和密集状态的开始，我们称之为大爆炸之前。 顺便说一下，大约17厘米的答案大约相当于一个足球的大小！因此，如果您想知道上述哪种假设更接近正确的假设，则可以使用此假设。不到一厘米太小，我们受到来自遗留辐射的限制，他说通货膨胀不可能以如此高的能量结束，也就是说，排除了宇宙大爆炸开始时如此大的宇宙大小。关于一个比今天的宇宙大的大小的答案显然与整个不可观测的宇宙的大小的估计有关，这可能是正确的，但仍然无法测量。$10^{-30}$





那么，宇宙刚诞生时的大小是多少？如果我们的最佳通胀模型是正确的，那么从人头大小到摩天大楼的城市街区。如果从那一刻起，您只等待138亿年，那么今天您将拥有我们的整个宇宙。