宇宙有多大?林德:10^10^12米,霍金:10^10^10^122Mpc

文摘   2024-12-09 08:14   广东  

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宇宙究竟有多大呢?这似乎是一道没有答案和意义的问题,然而科学家们提出了诸多理论来推算宇宙的大小,就像古希腊时代的科学家们孜孜不倦尝试推算地球的大小一样(古希腊人测量出地球周长为4.6万千米,与今天卫星测距仅有15%的误差!)。

因为人的天性中包括好奇心和寻找答案的特质,所以人类才会对这些无聊的问题感兴趣,而正是在追寻“无聊”问题的过程中推动人类不断进步。

而在众多的宇宙学理论及宇宙模型中,最疯狂的当属美国物理宇宙安德烈.林德的暴胀宇宙理论。

下面就是当代宇宙学宗师安德烈.林德的照片,他曾是苏联人,后移民美国并和阿兰.古斯创立暴胀宇宙学,因其贡献而荣获诺贝尔奖。

首先我们区分两个名词:弗里德曼泡和哈勃泡,这两个名词在特定场合都可以表示宇宙。

在暴胀宇宙学中,我们的宇宙或者空间只有一个,这唯一的宇宙或者空间就是我们的物理实在。但宇宙在局部不断发生暴胀,暴胀的过程类似于肥皂水中生出泡沫的过程,肥皂水在压强下转化为泡沫,同样暴胀空间在暴胀压作用下转化为弗里德曼泡。通俗讲,把弗里德曼泡的生成过程看成宇宙大爆炸,那暴胀宇宙学中宇宙或空间或物理实在在无时无刻发生着无数次大爆炸。下图用动图模拟了永恒暴胀的发生。

每个弗里德曼泡可能有其独特的物理规律乃至空间性质,弗里德曼泡之间距离遥远,而且由于新的弗里德曼泡不断在暴胀中生成,加上弗里德曼泡本身的膨胀速度远远快于光速,导致弗里德曼泡之间可能永远无法联系。当然,在霍金的理论中,弗里德曼泡之间通过无数的细丝或虫洞相连,在理论中我们可以借助虫洞去往其他的宇宙。就像下面的图一样。

哈勃泡是什么呢?指弗里德曼泡中可以被我们观测到的部分,即可观测宇宙。因为我们的弗里德曼泡形成于138亿年前的大爆炸,加上根据狭义相对论,光速是我们的弗里德曼泡中最快的速度。所以在理论上可观测宇宙或者哈勃泡的半径只有138亿光年。但这个数值没有考虑到宇宙形成之初剧烈的暴胀,那次暴胀在比1秒钟小30个数量级的时间内使空间膨胀了100万亿亿亿倍!

所以考虑到暴胀,可观测宇宙的边界在465亿光年外,这样宇宙的直径为930亿光年,近似于1000亿光年。这么大范围的空间内包含着5000万个超星系团,2万亿个星系,1亿亿亿颗恒星,数目更巨大的行星,和1万亿亿颗类地行星。下图是科学家们找到的一些地球姐妹星球,估计可观测宇宙中这样的星球有上万亿亿颗。

宇宙学家通过对当今宇宙平坦度的观测数值,计算出我们的宇宙所处的“弗里德曼泡沫”半径有10^10^12米。这个数字是一个2层指数塔,写下来很抽象,我们来直观感受下10^10^12米有多大,首先10^12=1万亿,相当于1后面跟着12个0,而1亿=10^8;10^10^12相当于1后面跟着1万亿个0,也就是1亿亿亿……亿亿亿米,中间有1250亿个亿。

那么弗里德曼泡有这么大,哈勃泡有多大呢?仅有10^27米(1000亿光年=10^11光年=10^24千米=10^27米),对比下弗里德曼泡的10^1000000000000(1万亿)米和哈勃泡的10^27米,可以感受到宇宙有多大了吗?


虽然哈勃泡很大,弗里德曼泡更大,但如果考虑到充满弗里德曼泡的那个唯一的物理实在,或者唯一的宇宙,则更巨大。但是我们的宇宙会是无穷大的吗?

事实上具有实体意义的无穷大在科学上是很难被相信存在的,不管我们的弗里德曼泡有多大,在实无穷的宇宙中也相当于0,因为无穷太难以想象,所以物理学上尽可能避免无穷的发生。包括宇宙的大小,平行宇宙的数量都只会是一个非常巨大的数字,而不可能是具有实际意义的无穷大。

根据霍金的宇宙有限无边理论,根据萨斯坎德在2006年的计算结果,我们的宇宙大小为10^10^10^122Mpc,其中Mpc表示百万秒差距,1秒差距=3.262光年。这个数字可以近似为:

10^10^10^10^2.08Mpc,相当于一个四层指数塔。而在数学中,每增加一层指数塔,其数字增大的速度都是爆炸性的。大宇宙的10^10^10^10^2.08相对于弗里德曼泡的10^10^12是大到近似于无穷。下图是这位一生囚禁在轮椅之上的科学巨人-斯蒂芬.霍金的照片。

当然宇宙在时间上也非常巨大,但可能也不是具有实际意义的无穷大,考虑到庞加莱回归时间。庞加莱回归指的是在足够长的时间内已经发生的事情会重复发生,在物理规律下任何看似不可能的事情都会发生,比如你读完这篇文章后发现你遥不可及的女神发信息向你表白。

关于庞加莱回归的理论我将在后面的文章细讲,朋友们不妨点点发财手,关注下,推荐下,谢谢啦

一个箱子仅包含一个质量为M普朗克质量的黑洞,那么它的庞加莱回归时间是exp(exp(4∏M^2)。如果把整个可观测宇宙的质量代入,就是10^10^10^10^2.08年。最后,如果用林德暴胀模型来估计整个弗里德曼泡的大小,再代入前面的式子,那就会得到10^10^10^10^10^1.01年。至于整个宇宙的庞加莱回归时间在这个基础上再加1层或2层指数塔。

在2010年的一篇论文中,安德烈.林德计算出永恒暴胀会产生10^10^10^7种不同的宇宙,每种宇宙的物理常数都不相同。在永恒暴胀理论中,暴胀一旦开始就永远不会停止,因为驱动暴胀的是一种叫暴胀场的量子场,暴胀场的涨落永远不会停止,因此永恒暴胀永远不会停止。
美国物理学家加来道雄在其著作《平行宇宙》中详细讲述了暴胀导致的多元宇宙理论,感兴趣的朋友可以点击下面的链接购买,笔者精心挑选的市场最实惠价。

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根据暴胀理论创始人阿兰.古斯教授的一篇论文中的计算,每个“弗里德曼泡沫”永恒暴胀每秒能创造10^10^37个新的“弗里德曼泡”,每个新产生的“弗里德曼泡”又可以在一秒内创造10^10^37个新的“弗里德曼泡”……永无止境。每个“弗里德曼泡”在一秒内创造10^10^37个“弗里德曼泡”的过程是能永恒持续下去的!不过创造弗里德曼的速度仅是二层指数塔,相比于宇宙的大小的四层指数塔而言几乎可以忽略不计。下面的图对比了托克曼的循环宇宙理论和林德、古思的暴胀宇宙理论。

总的看,10层指数塔或:10^10^10^10^10^10^10^10^10^10^10

便是物理意义上的绝对无穷,宇宙的大小和时间到4层指数塔,弗里德曼泡即我们生活的宇宙的大小不过2层指数塔,我们的可观测宇宙连直径1000亿光年都不到!但是对有限的人类而言,和无穷又有什么区别?

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