宇宙有多大？

作者：Mike

        人類對於宇宙自古以來都是充滿著好奇，充滿著疑問。或許我們會問宇宙是否有邊緣或是無窮無盡的大呢？在解答這個問題前，我們先要大概知道究竟宇宙是什麼來的。宇宙是空間，時間，物質和能量的統一體，簡單來說，即是由一切時間和空間組成，「往古來今謂之宙，四方上下謂之宇」，早於中國春秋戰國，已有宇是空間，宙為時間的觀念。

圖片來源: http://content.edu.tw/senior earth/tp_ml/stu/106_7/universe_pic1.htm

         對於宇宙之始，科學家提出了不少宇宙學模型來描述宇宙誕生及其後宇宙演化的過程。其中，最著名的宇宙學理論則是「宇宙大爆炸論」。根據此理論，宇宙大概於137億年前誕生。宇宙在無限小的一點爆炸，在膨漲後，宇宙的密度和溫度十分高，主要飄浮著質子，中子，電子和帶有1000億度溫度的光子。隨著時間過去，數以千萬計的恆星和行星誕生，組成不同的星系。同時，宇宙亦隨時間不停地高速膨脹。


        很多人從宇宙大爆炸論中，誤認為宇宙的大小（半徑）最長是約137億光年，因為宇宙是從137億年前誕生，假設宇宙是有邊緣，邊緣以光速膨脹，那麼在137億年後（即今天），宇宙便膨脹了137億光年的距離。但是，宇宙膨脹是因為空間在膨脹，並不受相對論的光速所限*，所以宇宙的大小是可以大於137億光年。

*在相對論中，質量對於空間的移動速度的上限為光速，但對於本身空間的移動速度則沒有限制。


        許多人亦認為宇宙是一定有限的，他們認為宇宙從一小點爆炸，經過137億年的膨脹，體積也一定是膨脹至某一個程度，故認為宇宙空間是有限的。但是，我們亦可想像宇宙最初是一塊無限大的平面，然後在這平面上任意作一點。當這一點發生「爆炸」後，此點就會膨脹成一個有限的圓圈（代表可觀察宇宙的空間），圓圈的大小隨時間增加。這可以代表宇宙一開始就可以是無限大，只是「可觀測宇宙」是有限的。所以宇宙是有限之推論並不正確。

圖片來源:  http://spider.ipac.caltech.edu/staff/jarrett/papers/LSS/

        所以，宇宙到底是有限或是無限，是有邊緣或是無邊緣，現在我們都沒有一個肯定的答案。不論宇宙是怎樣，我們只能觀測到一個有限且半徑為460億光年*的「可觀測宇宙」。「可觀測宇宙」是一個球體，以觀測者為中心，在「可觀測宇宙」這個球體內，物體所發出的光都一定有足夠的時間到達觀測者（即球體中心）。在這個範圍外，我們是無法直接觀測其物體發出的輻射，即是它們是無法直接探測得到。至今，「可觀測宇宙」是否等於整個宇宙，我們並沒有一個肯定的答案，真實的宇宙有可能比「可觀測宇宙」大或小。


*或許大家會誤解「可觀測宇宙」的半徑應是137億光年，而不是460億光年。但由於宇宙不斷地在膨脹，所以我們目前所觀測到的宇宙半徑是約137億光年的3倍。

        因此，簡單來說，我們或許永遠無法得知宇宙真實的大小，無法得知宇宙是否無窮大。

延伸閱讀：
How can the Universe be infinite if it was all concentrated into a point at the Big Bang?
http://www.astro.ucla.edu/~wright/infpoint.html

Misconceptions about the Big Bang
http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=misconceptions-about-the-2005-03&page=5

Is the Universe finite or infinite?
http://www.esa.int/esaSC/SEMR53T1VED_index_0_iv.html