可观测宇宙半径约460亿光年。曲率测量精度达1/400,不可观测宇宙至少是可观测的6400万倍,但有限还是无限,现有物理无法回答。

138亿年前,宇宙暴胀结束,炽热的大爆炸随之而来。今天,包含我们可观测宇宙的体积半径已膨胀到约460亿光年,这是光速和我们所处位置共同划出的观测边界。看得越远,看得越早:月亮是1.25秒前的月亮,太阳是8分钟前的太阳,火星车的信号要等7到22分钟才能抵达,最近的星系仙女座则呈现出250万年前的样子。

宇宙是不是无限的?答案是”不知道”

想弄清可观测之外的情况,只能靠推断。如果空间正弯曲,远处的光线会汇聚;负弯曲则会发散。但宇宙微波背景辐射的涨落显示,在测量精度内宇宙是完美平坦的。大爆炸后约38万年,宇宙冷却到3000K左右,物质电离成等离子体,光子不断被自由电子散射,直到中性原子形成,光才开始自由穿行。那一刻的宇宙近乎完美均匀,最密与最疏区域的偏差只有三万分之一,正是这些细微涨落长成了今天的星系、星系团和宇宙网;当年炽热状态留下的余光,今天已是温度2.725K的微波背景辐射。从WMAP到Planck再到ACT和SPT,最好的测量都指向同一结论:宇宙在大尺度上空间平坦,精度0.25%,约四百分之一。作为比较,今天的宇宙大约68%是暗能量、27%是暗物质、4.9%是普通物质。因为空间是三维的,曲率不超过四百分之一,意味着不可观测的宇宙至少是可观测宇宙体积的(400)³倍,超过6400万倍。假设没有拓扑怪癖,完整宇宙的直径至少有37万亿光年。数字惊人,但仍是有限。

宇宙是不是无限的?答案是”不知道”

更大的问题在于暴胀。暴胀假说认为,大爆炸之前宇宙经历了一段指数级膨胀,每10的负32次方秒,最小的普朗克尺度就被拉伸到可观测宇宙的大小。暴胀是量子场,在任何时刻都有概率结束、也有概率继续,于是理论上,暴胀一旦开始就不会在所有区域同时结束,这就是永恒暴胀:它不断制造新空间、新大爆炸,现代多重宇宙概念由此而来。在暗能量主导的宇宙里可以划分四个区域:完全可达可观测、可观测但不可达、将来才可见、永远不可见,边界分别在180亿、460亿和610亿光年。我们所在的区域138亿年前结束了暴胀,但别处可能仍在膨胀。

宇宙是不是无限的?答案是”不知道”

有三个问题决定宇宙到底多大:暴胀结束时产生我们的那片区域有多大;永恒暴胀是否正确;暴胀持续了多久。答案都藏在可观测宇宙之外,而我们的信息只能来自可观测宇宙之内。除非暴胀真的无限持续,或宇宙诞生时就无限大,否则宇宙应该是有界的。要确认这一点,恐怕得先想出让物理学会测量更多东西的办法。

原文:https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-infinite/