上一期结束后，我收到了一位读者的提问：王老师，宇宙怎么可能是无限的，无限延续下去呢？

您是否像她一样，对宇宙无限大小的概念感到惊讶？不要困惑，今天我将尽力帮助您理解它。

01 超光速，是的

我想大家都应该知道光速极限的概念。在我们的宇宙中，没有任何物体的运动速度能够超过光速，光速为每秒 300,000 公里。这是爱因斯坦相对论的基本前提。

然而，如果这个前提更准确的话，实际上意味着宇宙中任何能量或信息的传播速度都不能超过光速。也就是说，一个系统想要影响另一个系统，是有一个速度限制的，这个速度就是光速。只要不违反这个原则，超光速是允许的。

以光速计算，阳光从太阳到达地球平均需要8分17秒。

例如，距离我们很远的星系相对于银河系可以以超过光速的速度后退。这并不违反相对论，因为这种相对速度并不传递能量或信息。银河系和另一个星系遥远的星系不会有任何影响。

大熊座的 GN-z11 星系是迄今为止发现的最远的星系之一。

天文学家早已通过观测证实，星系距离我们越远，它们相对于我们后退的速度就越快。我们永远无法看到那些退行速度超过光速的星系，因为它们发出的光永远不可见。抵达地球。反之亦然，来自银河系的光永远无法赶上这些星系。

连光都追不上，更何况是宇宙飞船。换句话说，如果你向宇宙的一个方向飞行，即使你能达到光速，你也无法飞到宇宙的尽头，因为在你前面有无数比你更快的人。你。更快的星系。这是否让我们更容易理解宇宙无限大小的概念？

即使飞船一直朝一个方向飞行，也永远无法到达宇宙的尽头

请记住，当我们谈论这个时，我们所指的宇宙的大小是空间拓扑结构的大小。当我们说宇宙是无限的时，我们指的是宇宙在空间结构上的无限大小。也就是说，如果我们朝任何方向飞行，都不会撞到边界，也不会回到起点，所以我们将这种情况定义为无限。

02 什么是可观测宇宙？

这里我们还介绍一个很有趣的概念，叫做“可观测宇宙”，意思是“我们能看到的宇宙”。

可观测的宇宙确实有一个大小。它的半径约为460亿光年，直径约为920亿光年。有人说465和930，但这并不重要。规模之大，误差一百亿光年都不算什么。你经常会在一些科普书籍或科普视频中看到，我们宇宙的半径是460亿光年，这实际上指的是“可观测宇宙”的大小。

大约有宇宙那么大，直径约930亿光年

那么可观测宇宙的概念从何而来呢？事实上，这是由于光速有限造成的。

当我们观察遥远的宇宙深处时，我们在空间中看到的距离实际上就是我们在时间中看到的距离。两者实际上是同一枚硬币的两面。例如，仙女座星系距离我们250万光年，这意味着仙女座星系发出的光需要250万年才能到达地球，所以我们现在看到的是它250万年前的情况。看。同样的，当我们观察数亿光年之外的星系时，我们看到的其实就是它数亿年前的样子。

仙女座星系

我们都知道，宇宙的年龄约为138亿年。换句话说，我们能看到的最古老的光子不可能超过138亿年前。那么问题来了，既然最古老的光子只有138亿年，为什么可观测宇宙的半径不是138亿光年，而是460亿光年呢？

因为宇宙正在膨胀。当这些光子飞行时，宇宙本身就会膨胀。您可以将光子想象成一个在机场自动人行道上行走的人。人行进的距离加上自动人行道移动的距离就是人相对于观察者移动的距离。因此，我们在夜空中看到的任何星系到我们的距离就是光子行进的距离加上宇宙本身膨胀所扩大的距离。

宇宙正在膨胀

根据宇宙的膨胀率，科学家可以计算出，理论上我们能看到的最古老的光子距离我们大约460亿光年。这就是可观测宇宙的概念。但我们不能将可观测宇宙误认为是整个宇宙的大小。 460亿光年以外的星系并不是不存在，而是它们相对于我们的后退速度已经超过了光速，我们永远也看不到它们。

03 银河系是宇宙中仅存的东西吗？

至此，我不得不告诉大家一个非常悲观的结论。由于宇宙正在加速膨胀，几乎所有星系都在加速远离我们。然后，有一天，即使是离我们最近的星系也会以比光速更快的速度远离我们。到时候，如果银河系存在智慧文明，他们看到的宇宙中就只剩下银河系本身了。银河系就是整个宇宙。

有时我想，我们有幸生活在这样一个宇宙时代，我们仍然可以看到一个鲜花盛开、形态各异的宇宙。未来的智慧文明可能就没那么幸运了。

如果你了解一点天文学的历史，你就会知道，最早的时候，地球人认为银河系就是整个宇宙。后来天文学家发现了河外星系，认识到宇宙中其实有无数的星系。在遥远的未来，当时的智慧文明将回归到一百多年前人类对宇宙的认识。如果人类文明发现的关于宇宙的知识能够传播到那个时候，那么宇宙中将会充满各种形状和形态的星系，也将成为一个古老的传说。

1922年已知宇宙的大小 VS 现在已知宇宙的大小

04 很多科普书都写错了

说完太空中宇宙大小的概念，我们再来看另一个关于宇宙的问题：宇宙中物质的量是无限的还是有限的？

有趣的是，一些著名的科普作家在这个问题上犯了错误。有很多科普书籍或文章。介绍了宇宙无限的现代最新认识后，很自然地推断出，既然宇宙是无限的，那么就会包含无限的物质，而无限多的物质意味着，从概率的角度来看，必然存在地球的复制品。在遥远的宇宙深处，你和我的精确复制品。这个数学上合理且极其有趣的概念来自于著名科普作家格林所著的经典科普书籍《隐藏的现实：平行宇宙是什么》。

不知道大家能否理解我刚才说的“从概率角度”。因为很有趣，所以我就多说几句。我们中学概率论的时候，都学过抽屉原理。如果有8个小球要放在7个抽屉里，那么1个抽屉里必须有2个小球。

抽屉原理图

地球可以看作是无数原子的组合。只要原子总数是有限的，那么这些原子所能组成的不同排列方式也是有限的。有限的排列就像抽屉一样，如果宇宙中的物质是无限多的话，就相当于有无数个小球被放入有限的抽屉里。抽屉里不可避免地会有多个球。也就是说，地球中原子的排列组合在宇宙中不仅不会出现一次，而且必然会重复出现。

从数学上来说，这确实是正确的。但遗憾的是，格林在这里犯了一个错误。宇宙在空间上是无限的，并不一定意味着在物质上也是无限的。

05 一切从这个奇怪的点开始

我们都知道，宇宙是在138亿年前的一次大爆炸中诞生的。在大爆炸的零时刻，整个宇宙被包含在一个非常小的空间中，称为奇点，它不比原子大。也就是说，在大爆炸初期，宇宙空间并不是平坦的，而是有非常大的曲率。在如此有限的空间内，所容纳的物质也是有限的。

物质有限的宇宙不可能成为物质无限的宇宙。在经历了短暂而疯狂的膨胀之后，宇宙被爆炸成一个在空间曲率上完全平坦的宇宙，从而在拓扑结构上变成了一个无限的空间结构。

大爆炸

然而，认识到这一点后，宇宙中实际包含多少物质的问题并没有得到解决。从理论上讲，因为我们所能看到的宇宙是有限的，也就是说我们前面提到的可观测宇宙的大小是一个半径为460亿光年的球体，所以我们永远无法通过天文观测来测量宇宙。其中物质的总量。要解决这个问题，只能依靠纯粹的理论推导。换句话说，科学家只能用理论来推断大爆炸时奇点中包含了多少物质。

不幸的是，目前这个问题还没有答案。原因是人类目前用来描述宇宙的最好理论，即广义相对论，无法描述奇点。

那么，宇宙中物质的数量是无限还是有限呢？这个问题有答案吗？我们下次再谈。