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宇宙有多大?即使把地球缩小到胡椒粒大小,你依然看不见宇宙全貌

2024-03-05科学

在晴朗的夜晚,你可以在西南天空看到明亮的金星。随着夜色渐渐深沉,天空中不同方向一颗颗星星出现。如果你观察它们不同的亮度,你一定会想知道它们距离地球有多远。

金星和地球位于同一个太阳系。从水平轨道上看,它实际上比太阳更靠近地球。然而,我们看到的太阳是巨大的,而金星只是一个微小的亮点。

没办法,太阳的大小比行星的大小要大得多。因此,尽管它离我们很远,但人们看上去仍然显得很大。

而在夜空中的更深处,有着无数像太阳一样的星星,所以人们实在无法想象这个深空有多大。

如果将天体和宇宙缩放到一定的比例,你也许能直观地感受到大小和距离的差异。但首先我们需要了解我们每天晚上看到的夜空有多大。

根据大爆炸理论,宇宙诞生于138亿年前。如果加上光速作为指标,人们自然会得出宇宙的半径应该是138亿光年。

但实际情况是宇宙从爆炸中持续膨胀。在过去的一个世纪里,科学家已经多次证明了这一点。

除了膨胀系数之外,大爆炸后的378000年里,混沌宇宙只是一片带电粒子场,整个区域都是高温、高密度的等离子体云。有了这个特性,光子就不能传播很远。

后来,当粒子冷却到一定程度时,原子开始形成,光子可以在空间中移动。因此,考虑到膨胀和重组事件等各种变量,科学家最终得出结论,宇宙的半径可能是456.6亿光年,因此它的直径是913.2亿光年。

需要强调的是,这些数据指的是可观测宇宙的半径。近年来,根据最新数据,科学家将宇宙半径调整为453.4亿光年。

从整个宇宙的角度来看,减少3.2亿光年并不算什么,但在科学家看来,这种对宇宙的感知更加连贯。一些科学家还认为,由于幽灵粒子的存在,宇宙的半径可能达到4613.1亿光年。不过,由于幽灵粒子很难被探测到,因此相关推测还有待未来证实。

无论如何,在科学界内部,目前已知的宇宙的边界确实已经划定了。那么如果各个天体都缩小的话,在这个基本范围内它们的状态会是怎样呢?

让我们从太阳系开始。尽管太阳系中有八颗行星和许多其他较小的天体,但整个太阳系看起来相当空旷。

先将土收缩,做成花椒大小,使其直径只有几毫米。由于地球被压得很小,你可能会认为太阳也一定很小。但实际上,如果以相同的比例压缩,太阳的压缩大小将与篮球相同。

如果拿篮球和胡椒来比较的话,他们之间的差距还是非常明显的。现在尺寸减小了,让我们减小它们之间的距离。

当音量减小时,我们也可能会觉得两者之间的距离不是那么大,但实际上两者之间的距离是非常大的。

将篮球放在一个位置。一个成年男子需要走26步才能放下一颗花椒。好吧,现在花椒和篮球之间的距离大约等于我们和太阳之间的实际距离。

这个距离有多大?相当于一个标准网球场的长度。而且距离如此之远,只有金星和水星位于两者之间。金星的大小与地球相似,水星收缩时比胡椒粒还小。

现在看火星,它缩小后的大小只有花椒的一半大小,缩小后地球到火星的距离为14步。火星之外是木星,它是太阳系中最大的行星,但缩小后只有葡萄大小。

这个葡萄和火星的距离非常大。至少需要100步才能到达那里。而如果你从木星的距离再走100步,你就会到达土星的位置,它有橡子那么大。

在太阳系中,最遥远的行星是天王星和海王星。它们的大小相似。枯萎后,它们只有葡萄干大小。缩小后,它们距太阳约800米。

想象一下,中心800米范围内有一个篮球,花椒、葡萄、橡子和葡萄干分别按照不同的距离放置。所有这些构成了太阳系中所有的恒星和行星。

当然,一切还有待观察。那么如果我们移动银河系会发生什么呢?

10万光年,这是银河系的大致直径。在其影响范围内有数千亿颗像太阳一样的恒星。

如果我们把银河系缩小到一个标准篮球场的大小,更不用说寻找太阳和地球了,我们就看不到整个太阳系。

因为如果均匀缩小的话,整个太阳系的大小就是胡椒粒大小。整个太阳系变得如此之小,以至于无法看到地球。

别担心,我们从更大的范围缩小选择范围。

在太空中,银河系被更大的本地星系群覆盖,直径约为1000万光年。本星系群内有比银河系大的仙女座星系,以及比银河系小的卫星星系——大麦哲伦星云和小麦哲伦星云。

如果本星系群缩小到篮球场那么大,那么银河系就只有里面CD的大小了。仙女座星系比银河系稍大,但只有锅盖大小。小麦哲伦星云较小,较大的看起来像葡萄,较小的看起来像花生。

如果这个时候你还想寻找太阳甚至地球,那你就别想了。它包含在CD范围内。

本星系群之外是一个更大的超星系团,超星系团之上是更大的拉尼亚凯亚超星系团。

这段时间,超级星系团果断缩小到了篮球场大小。其中,本星系群看起来只有西瓜大小。在这种情况下,银河系和仙女座星系也在本星系群下不可见。

当我们缩小观测到的宇宙并将其压缩到篮球场大小时,如果我们看原始的大型超星系团,它大约只有篮球场内的饼干大小。

所以缩小的话,不用去银河系,就在太阳系内部,无论大小还是范围,当地球缩小到花椒大小时,肉眼可见的范围眼力已经到了极限。

如果我们不进一步压缩,只是将其缩小到胡椒粒大小,即使缩小,银河系、本星系群、超星系团乃至宇宙的范围也会缩小还是很大,大到我们肉眼都能看到。我们甚至看不到它。

另一方面,我们将宇宙缩小到篮球场大小。根据尺度,银河系甚至地球等。它们太小了,只能用显微镜才能看到。

这是什么意思?这意味着即使我们将其压缩到可见光范围的一小部分,我们仍然无法清楚地看到整个宇宙。换句话说,宇宙的浩瀚是看不见的,只存在于我们的想象中。

那么问题来了。既然宇宙的范围大到无法想象,那么科学家如何依靠它来测量呢?

第一种方法是无线电反射。贵州天眼是大型射电望远镜。这类设备可以向距离地球较近的天体发射无线电波,然后接收反射信号。

通过计算发射和接收之间的时间,可以计算地球和天体之间的距离。通常,这种方法仅适用于测量太阳系周围区域的天体。如果范围扩大,这种测量方法就不再足够了。

还有一种方法是利用三角视差来计算。这种方法也被人们在日常生活中使用,利用眼睛看到的不同物体之间的观察间隙来计算它们之间的距离。

在太空中,科学家用望远镜代替肉眼进行观察。在望远镜中看到的天体也会显示出距离与距离的差异,根据这个差异就可以计算出距离。

和第一种方法一样,这个方法会随着范围扩大而失效。当范围大于100光年时,在望远镜中看到的视差就不明显了。这时就必须采用新的计算方法。

第三种方法是调整主序列。该方法利用恒星在不同年龄时颜色和亮度的差异来进行计算。得到相应的值后,与之前用视差法计算出的主序星距离进行比较,就可以计算出遥远天体的距离。

这个计算方法中的主序星也被称为宇宙的标准蜡烛。可以简单的理解为一个比较坐标,但是这个坐标不仅反映了距离,还反映了亮度和色差。。

第四种方法是利用造父变星结合宇宙标准烛光来测量距离。造父变星是一种特殊类型的恒星。它们的亮度随时间变化,亮度变化的周期与实际亮度有关。

通过改变亮度周期的长度,然后使用宇宙标准烛光,它可以成为科学家测量宇宙范围的工具。

第五种方法是红移。在生活中,声音之间的距离会发生变化,空间中的光波也会发生类似的变化。

由于宇宙的膨胀,所有星系都在相互远离,在拉伸光波的过程中,会出现间隙。它们光谱中显示的差异称为红移。然后我们通过哈勃定律发现,红移量也存在差异。如果这样检查的话,天体之间的距离也会出现差异。

正是通过上述各种方法的运用,科学家的观测范围才会越来越扩大。

无论是幻想还是现实,宇宙很大。科学家利用所有的技术进步,通过观察和分析建立了我们所知的宇宙坐标。

我们视野的范围是有限的,但我们想象力的无限扩展似乎与宇宙的范围不谋而合。正是依靠这种想象和思维,人类一步步到达了宇宙的更深处。

参考:

【宇宙究竟有多大?可观测半径为453.4亿光年】科学技术杂志,2016年8月18日【群星的法则】