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宇宙有多大?即使把地球縮小到胡椒粒大小,你依然看不見宇宙全貌

2024-03-05科學

在晴朗的夜晚,你可以在西南天空看到明亮的金星。隨著夜色漸漸深沈,天空中不同方向一顆顆星星出現。如果你觀察它們不同的亮度,你一定會想知道它們距離地球有多遠。

金星和地球位於同一個太陽系。從水平軌域上看,它實際上比太陽更靠近地球。然而,我們看到的太陽是巨大的,而金星只是一個微小的亮點。

沒辦法,太陽的大小比行星的大小要大得多。因此,盡管它離我們很遠,但人們看上去仍然顯得很大。

而在夜空中的更深處,有著無數像太陽一樣的星星,所以人們實在無法想象這個深空有多大。

如果將天體和宇宙縮放到一定的比例,你也許能直觀地感受到大小和距離的差異。但首先我們需要了解我們每天晚上看到的夜空有多大。

根據大霹靂理論,宇宙誕生於138億年前。如果加上光速作為指標,人們自然會得出宇宙的半徑應該是138億光年。

但實際情況是宇宙從爆炸中持續膨脹。在過去的一個世紀裏,科學家已經多次證明了這一點。

除了膨脹系數之外,大霹靂後的378000年裏,混沌宇宙只是一片帶電粒子場,整個區域都是高溫、高密度的電漿雲。有了這個特性,光子就不能傳播很遠。

後來,當粒子冷卻到一定程度時,原子開始形成,光子可以在空間中移動。因此,考慮到膨脹和重組事件等各種變量,科學家最終得出結論,宇宙的半徑可能是456.6億光年,因此它的直徑是913.2億光年。

需要強調的是,這些數據指的是可觀測宇宙的半徑。近年來,根據最新數據,科學家將宇宙半徑調整為453.4億光年。

從整個宇宙的角度來看,減少3.2億光年並不算什麽,但在科學家看來,這種對宇宙的感知更加連貫。一些科學家還認為,由於幽靈粒子的存在,宇宙的半徑可能達到4613.1億光年。不過,由於幽靈粒子很難被探測到,因此相關推測還有待未來證實。

無論如何,在科學界內部,目前已知的宇宙的邊界確實已經劃定了。那麽如果各個天體都縮小的話,在這個基本範圍內它們的狀態會是怎樣呢?

讓我們從太陽系開始。盡管太陽系中有八顆行星和許多其他較小的天體,但整個太陽系看起來相當空曠。

先將土收縮,做成花椒大小,使其直徑只有幾公釐。由於地球被壓得很小,你可能會認為太陽也一定很小。但實際上,如果以相同的比例壓縮,太陽的壓縮大小將與籃球相同。

如果拿籃球和胡椒來比較的話,他們之間的差距還是非常明顯的。現在尺寸減小了,讓我們減小它們之間的距離。

當音量減小時,我們也可能會覺得兩者之間的距離不是那麽大,但實際上兩者之間的距離是非常大的。

將籃球放在一個位置。一個成年男子需要走26步才能放下一顆花椒。好吧,現在花椒和籃球之間的距離大約等於我們和太陽之間的實際距離。

這個距離有多大?相當於一個標準網球場的長度。而且距離如此之遠,只有金星和水星位於兩者之間。金星的大小與地球相似,水星收縮時比胡椒粒還小。

現在看火星,它縮小後的大小只有花椒的一半大小,縮小後地球到火星的距離為14步。火星之外是木星,它是太陽系中最大的行星,但縮小後只有葡萄大小。

這個葡萄和火星的距離非常大。至少需要100步才能到達那裏。而如果你從木星的距離再走100步,你就會到達土星的位置,它有橡子那麽大。

在太陽系中,最遙遠的行星是天王星和海王星。它們的大小相似。枯萎後,它們只有葡萄乾大小。縮小後,它們距太陽約800公尺。

想象一下,中心800公尺範圍內有一個籃球,花椒、葡萄、橡子和葡萄乾分別按照不同的距離放置。所有這些構成了太陽系中所有的恒星和行星。

當然,一切還有待觀察。那麽如果我們移動銀河系會發生什麽呢?

10萬光年,這是銀河系的大致直徑。在其影響範圍內有數千億顆像太陽一樣的恒星。

如果我們把銀河系縮小到一個標準籃球場的大小,更不用說尋找太陽和地球了,我們就看不到整個太陽系。

因為如果均勻縮小的話,整個太陽系的大小就是胡椒粒大小。整個太陽系變得如此之小,以至於無法看到地球。

別擔心,我們從更大的範圍縮小選擇範圍。

在太空中,銀河系被更大的本地星系群覆蓋,直徑約為1000萬光年。本星系群內有比銀河系大的仙女座星系,以及比銀河系小的衛星星系——大麥哲倫星雲和小麥哲倫星雲。

如果本星系群縮小到籃球場那麽大,那麽銀河系就只有裏面CD的大小了。仙女座星系比銀河系稍大,但只有鍋蓋大小。小麥哲倫星雲較小,較大的看起來像葡萄,較小的看起來像花生。

如果這個時候你還想尋找太陽甚至地球,那你就別想了。它包含在CD範圍內。

本星系群之外是一個更大的超星系團,超星系團之上是更大的拉尼亞凱亞超星系團。

這段時間,超級星系團果斷縮小到了籃球場大小。其中,本星系群看起來只有西瓜大小。在這種情況下,銀河系和仙女座星系也在本星系群下不可見。

當我們縮小觀測到的宇宙並將其壓縮到籃球場大小時,如果我們看原始的大型超星系團,它大約只有籃球場內的餅乾大小。

所以縮小的話,不用去銀河系,就在太陽系內部,無論大小還是範圍,當地球縮小到花椒大小時,肉眼可見的範圍眼力已經到了極限。

如果我們不進一步壓縮,只是將其縮小到胡椒粒大小,即使縮小,銀河系、本星系群、超星系團乃至宇宙的範圍也會縮小還是很大,大到我們肉眼都能看到。我們甚至看不到它。

另一方面,我們將宇宙縮小到籃球場大小。根據尺度,銀河系甚至地球等。它們太小了,只能用顯微鏡才能看到。

這是什麽意思?這意味著即使我們將其壓縮到可見光範圍的一小部份,我們仍然無法清楚地看到整個宇宙。換句話說,宇宙的浩瀚是看不見的,只存在於我們的想象中。

那麽問題來了。既然宇宙的範圍大到無法想象,那麽科學家如何依靠它來測量呢?

第一種方法是無線電反射。貴州天眼是大型射電望遠鏡。這類裝置可以向距離地球較近的天體發射無線電波,然後接收反射訊號。

透過計算發射和接收之間的時間,可以計算地球和天體之間的距離。通常,這種方法僅適用於測量太陽系周圍區域的天體。如果範圍擴大,這種測量方法就不再足夠了。

還有一種方法是利用三角視差來計算。這種方法也被人們在日常生活中使用,利用眼睛看到的不同物體之間的觀察間隙來計算它們之間的距離。

在太空中,科學家用望遠鏡代替肉眼進行觀察。在望遠鏡中看到的天體也會顯示出距離與距離的差異,根據這個差異就可以計算出距離。

和第一種方法一樣,這個方法會隨著範圍擴大而失效。當範圍大於100光年時,在望遠鏡中看到的視差就不明顯了。這時就必須采用新的計算方法。

第三種方法是調整主序列。該方法利用恒星在不同年齡時顏色和亮度的差異來進行計算。得到相應的值後,與之前用視差法計算出的主序星距離進行比較,就可以計算出遙遠天體的距離。

這個計算方法中的主序星也被稱為宇宙的標準蠟燭。可以簡單的理解為一個比較座標,但是這個座標不僅反映了距離,還反映了亮度和色差。。

第四種方法是利用造父變星結合宇宙標準燭光來測量距離。造父變星是一種特殊型別的恒星。它們的亮度隨時間變化,亮度變化的周期與實際亮度有關。

透過改變亮度周期的長度,然後使用宇宙標準燭光,它可以成為科學家測量宇宙範圍的工具。

第五種方法是紅移。在生活中,聲音之間的距離會發生變化,空間中的光波也會發生類似的變化。

由於宇宙的膨脹,所有星系都在相互遠離,在拉伸光波的過程中,會出現間隙。它們光譜中顯示的差異稱為紅移。然後我們透過哈伯定律發現,紅移量也存在差異。如果這樣檢查的話,天體之間的距離也會出現差異。

正是透過上述各種方法的運用,科學家的觀測範圍才會越來越擴大。

無論是幻想還是現實,宇宙很大。科學家利用所有的技術進步,透過觀察和分析建立了我們所知的宇宙座標。

我們視野的範圍是有限的,但我們想象力的無限擴充套件似乎與宇宙的範圍不謀而合。正是依靠這種想象和思維,人類一步步到達了宇宙的更深處。

參考:

【宇宙究竟有多大?可觀測半徑為453.4億光年】科學技術雜誌,2016年8月18日【群星的法則】