宇宙到底有多大，是无限大？

根据霍金和其他一些相关的人所提出来的那些理论，宇宙到底是无边的还是有边的。我们的宇宙到底是被创造，还是？

答案就是：不知道！
处于现代社会的我们很难再接受这种不知道的概念，觉得任何一件事，只要人类愿意去探寻，总能找到真正的根源。
但对不起，在宇宙这里，这个规律无法实现。
因为宇宙的大小问题，已经超出边界了。。。
物理意义上的边界早就超出了。。。
所以，现在一般都在数学意义上探寻。。。
但其实数学。。。我们现在不知道的是，这种问题到底应该归纳到哪一种数学上去。。。从这一点来说，这个问题在数学意义上也已经超出人类认知的边界了。。。
所以，归根结底还是要归于中国那句老话：知之为知之，不知为不知，是知也。
我们现在对于宇宙大小的所有知识，就是我们不知道宇宙有多大。

《宇宙小史》中提到，可观测的宇宙直径大概 930 亿光年，不可观测的部分可能是无限的。
宇宙的尺寸其实是一个非常深奥的问题，在探究这个问题的过程当中，我们会逐步接触到宇宙学的核心。
不过，在搞清该问题的真正含义之前，不妨先看看那些和距离相关的、比较经典的物理概念。
在宇宙学中，「距离」涉及的区域一般都极其广袤。想要弄清这是怎样一个尺度，可以从身边的「距离」开始分析，然后逐渐辐射出去，一步步迈向宇宙的尺度。
如果你对宇宙很好奇，那你一定要去读这本书。
这本薄薄的小书，竟解读了整个宇宙！

导演詹姆斯·卡梅隆曾说：我爱科幻的理由，是它不断提出宏大的问题：宇宙中有什么？世界将会如何终结？我们的科技会毁灭我们吗？最重要的一个问题是，我们能从这些精彩的故事中学到什么？每次看科幻类的纪录片，都会感觉宇宙无限，真理无穷。
从宇宙的维度来看，人类渺小得就像尘埃一样。
这时候，生活中有再多的琐事烦心，也都不值一提了。
甚至有时候会感觉到自己是如此的幸运，生活在有水，有氧气，有植物的地球上，比起其他或炽热，或冰冷，或风暴肆虐的行星，地球对我们而言简直是一种恩赐。
从爱因斯坦的相对论，到今天丈量宇宙逐渐成为现实，人类对时间和空间的探索从未停止。


图片
1一本小书里的浩瀚星空

自从人类在这个地球上出现，就开始仰望头顶的浩瀚星空了。
如今，宇宙学已经成为了一门较为成熟的学科，以至于其中掺杂了很多听上去相当疯狂的理论和推测。
每一个充满好奇心的人在阅读天文学、宇宙学读物时都会情不自禁提出问题：
•我们所处的宇宙年龄有 138 亿年，为什么是 138 亿年？
•宇宙诞生于大爆炸：怎么炸的？
•宇宙在膨胀：你怎么知道的？
•宇宙由「看得见」的常规物质，以及「看不见」的暗物质和暗能量构成：凭什么这么说？
事实上，我们可以在最大尺度上了解整个宇宙，宇宙学大咖莱曼•佩奇将人类关于宇宙的重要问题的探索浓缩成了这本《宇宙小史》。




图片•宇宙的各种成分是什么，它们之间是如何作用的？
•宇宙是怎样演化而来的？
•如何描述宇宙的特性？
•人类目前掌握的观测、度量宇宙的方法是什么？
《宇宙小史》中讲述了宇宙学中比较重要的几个方面的知识：宇宙的组成、几何结构、演化过程、用来描述宇宙的物理定律，大爆炸是怎么回事、宇宙如何演变至今。
以及宇宙学研究目前最前沿的发展和未来研究方向。
中国科学院国家天文台研究员、《中国国家天文》主编苟利军说：「这本书《宇宙小史》一书就是对于我们有关宇宙认识的一个最新回顾，给我们以非常通俗易懂的文字介绍了人们一直在苦苦追寻着的宇宙答案。除了介绍基本的宇宙学常识之外，本书还给我们大家介绍了宇宙学的前沿领域，让我们对于宇宙的发展也有所了解。」
2和最优秀的天文学家一起遨游宇宙

北京大学物理学院教授王正行评价《宇宙小史》「一本小书，道尽宇宙时空结构的演化」。
中科院自然科学史所原副所长、中国科技馆原馆长王渝生甚至评价这本书「可同霍金《时间简史》相媲美」。
顶级学术期刊《物理世界》（Physics World，英国物理学会主办）和《自然·天文学》（Nature Astronomy）都对这本书赞誉有加。
这本小书能够获得这么高的赞誉，和它的作者莱曼•佩奇分不开。
莱曼•佩奇是普林斯顿大学物理系主任，美国国家科学院院士，美国艺术与科学学院院士。
他是观测宇宙学方面的专家，也是威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）最初的联合研究者之一，该探测器用于对宇宙年龄的精准测量。
2010 年，因在解开宇宙年龄方面取得的重大成果，获得被誉为「东方诺贝尔奖」的邵逸夫天文学奖。
2018 年，因为「WMAP 实验团队对于早期宇宙的详细地图，这些地图大大提高了我们对宇宙演化的知识以及播种星系形成的波动」获得了 2018 年基础物理学突破奖。



图片正如我们所知，宇宙学涉及的距离和时间的尺度大到令人难以想象，但作者在书中尽量避免使用专业的术语，而是使用许多浅显易懂的用词和贴近日常生活的比喻，让普通人也能看懂。
香港科技大学宇宙学副教授王一评价这本书说：

「作者特别擅长使用比喻。比如把宇宙比作一大桶巧克力碎屑冰淇淋，把宇宙中的第一束光比作冬天没人玩的沙滩排球，把「CMB 各向异性功率谱」这种晦涩的概念比作谱写在宇宙中的乐章。这些比喻精妙、贴切又让人莞尔，把宇宙学中的道理和我们日常生活中的道理联系起来，让我们可以「秒懂」这些本来晦涩抽象的宇宙学知识。作者也特别擅长把宇宙中巨大的数字形象化。宇宙中的数字可真是天文数字，我们对这些数字缺乏直观感受。但是作者用像一辆车的总里程这样的概念，帮我们一步步建立起想象宇宙之大的阶梯。看完这本书，实在让我惊讶，作者是怎么把这么丰富、精彩、深入浅出的内容，塞到这本一百多页的小书里面！」

我们不仅能从书中了解宇宙的基本概念，更能在他们所从事的前沿科学项目中，对世界级科学家的科学思维路径一探究竟，建立宏观视角，去观察、思考和解决问题。
3认识宇宙，我们在路上

除了解答人们关于宇宙的种种好奇，佩奇教授在这本《宇宙小史》里，还提出了很多宇宙学领域悬而未决的问题，等待着全世界好奇的人们去探索和解决。
正如作者说的，「自古以来，宇宙就在一直不断地激发着人们的想象力。尽管最近几年宇宙学取得了空前进步，但无论是理论还是实验，我们对更深层次的知识的探索都从未停下。对于那些凝望深空的人来说，发现了新事物，或发现标准宇宙模型中的某项要素需要更新改变，就是最好的兴奋剂」。
一起打开这本简明好读的小书，去感受和畅想这浩瀚恢弘的宇宙吧！
「内容转载自微信公众号：中信出版（ID：citicpub），未经授权不得转载」

使用 App 查看完整内容目前，该付费内容的完整版仅支持在 App 中查看
<a href="http://oia.zhihu.com/answer/2671450287/" class="internal" style="color: #0084FF;text-decoration:none;border-bottom:none;">🔗App 内查看

真空光速是宇宙中的速度的上限，大约为每秒30万公里，虽然宇宙空间的膨胀速度，和量子纠缠的反应速度都是超光速，但它们都无法传递信息。




所以在我们的宇宙中，每秒30万公里就是“有意义”的极限速度，遗憾的是，目前除了光子本身，其他任何有静止质量的物体都达不到这个速度，因为爱因斯坦不允许。
根据狭义相对论中的质速关系和质增效应，粒子的运动速度越快质量就越大，在达到光速之前，粒子的质量就会膨胀为无限大，相应就需要无限大的能量让其进一步加速，但宇宙中很明显是不存在无限能量的。




所以粒子不可能达到光速，而由粒子组成的飞船，或者其他别的什么东西，也会同样的原因而与光速无缘。
但如果，我是说如果





未来人类发明出一艘一秒能飞一光年的“超级光速飞船”，那么驾驶这样的飞船，有机会在有生之年飞到宇宙边界，甚至是飞出宇宙吗？
废话不多说，上数据




根据天文学家们的计算，太阳系的半径就是一光年，我们所熟知的太阳系天体，其实只是位于柯伊伯带内的“小天地”，在它之外广阔的奥尔特云，才是太阳系真正的边界所在，以旅行者一号目前17km/s的速度，还得再飞3万年才能离开太阳系。




但驾驶“一秒一光年”的超级光速飞船，只需1秒就能飞出太阳系，4.22秒就能飞到距离地球最近的恒星，4.22光年外的比邻星附近。
需要指出的是，比邻星还是大名鼎鼎的“半人马座三星系统“中的一员，也就是刘慈欣《三体》中，三体文明的老家。




伴随着“一秒一光年”的超级速度，宇宙中的恒星会在你面前飞速后退，25秒后你会到达织女星，但由于方向原因，你并不会遇到牛郎星。




大约7.2小时，也就是2.6万秒后，你将闯入银河系中心区域稠密的球状星团中，430万倍太阳质量的超级黑洞”人马座a*“将呈现在你眼前，一个月后，你将到达250万光年外的仙女座星系内，进入一个真正意义上的”新世界“。




在这个和银河系类似，同样拥有数千亿颗恒星，数万亿颗行星的仙女座星系里，你看到的景象将会和银河系类似，依旧是群星在你眼前飞速后退，因为一秒一光年的超级速度，在恒星平均距离只有几光年的星系内部，还是非常快的。
但这只是暂时的





随着你飞出仙女座星系，进入广阔的宇宙虚空，一秒一光年的超级飞船就逐渐显得力不从心了，飞往5380万光年外的室女座超星系团，就要耗费你一年半左右的时间。
而室女座超星系团所在的拉尼亚凯亚超星系团，直径达到了5.2亿光年，相当于上个距离的10倍，这意味着横穿拉尼亚凯亚超星系团，要花费你16年光阴。




此时此刻不要忘了，可观测宇宙的半径是465亿光年，从地球出发，驾驶一秒一光年的超级飞船，需要1473年的时间。
1473年前，是公元548年，当时中国还处于魏晋南北朝时期，如果那时候你刚上飞船，那么到今年也就是公元2021年，你就刚好到达可观测宇宙的边缘。




划重点

可观测宇宙的意思，就是目前天文学家只能看到这么大点儿地方，因为更远处星系发出的光，现在还没飞到地球。




所以可观测宇宙之外，仍然是数不清的星系和数不清的恒星，所谓”一秒一光年“的超级飞船，是绝无可能人类有生之年飞到宇宙边缘，甚至飞出宇宙的。
根据宇宙学家的模型，如果整个宇宙是一个闭合的四维超球体，那么宇宙就不存在边界，光速飞船再怎么快，最终也还是会回到起点。




就像今天地球大洋上的航母一样，无论动力再怎么强劲，一直朝着一个方向航行，最终也还是会回到原点。想让航母飞出地球，就得让它具备第三个维度的机动能力，垂直上升离开地球。
同理





想让宇宙飞船离开闭合的四维超球体宇宙，也得让它具备更高维度的机动能力才行，可惜的是人类现在连三维空间都还没玩明白，四维空间的门槛都没摸到。

天文学宇宙
在天文学、物理学、自然科学上的宇宙就是时空。可分为：可观测宇宙（狭义的天文学宇宙大小是有限的直径930亿光年），本宇宙（比可观测宇宙大许多倍（根据不同理论不同预测直径1500亿光年到10^10^10^122秒差距不等）或无限的），平行宇宙、n层（种）多重宇宙（如量子多重宇宙、永恒暴涨多重宇宙、数学结构多重宇宙、模态逻辑可能世界多重宇宙、虚拟宇宙…）…泰格马克认为多重宇宙只有4种（视界之外、量子多重宇宙、永恒暴涨多重宇宙、数学结构多重宇），不可能有超过第4层数学多重宇宙的了。但他的数学结构只包含可计算的数学结构，不承认无限的数学结构可以对应物理宇宙实体。我个人认为无限集合、大基数等无限结构对应的物理宇宙实体是存在的。多重宇宙永无止境，Sasquatch层多重宇宙、伯克利基数层多重宇宙…都是存在的。

数学宇宙
数学宇宙（因为太大不能归为集合的，超过无限集合的抽象结构）：真类、类、全类、超类、范畴、大基数宇宙、rank into rank基数公理（ I0-I3）、集合宇宙、数学终极宇宙、0=1、V=L…。数学和数理逻辑实无穷派认为无限可以比大小（超无限超宇宙），承认超限数（超限基数），就像阿列夫0、阿列夫1…大基数（不可达基数…武丁基数…莱因哈特基数…）…集合宇宙、绝对无限、非标准数系、无穷范畴…

哲学宇宙
哲学神学宗教的宇宙观世界观相当于万物总体的概念。如马哲宇宙定义：“无限多样永恒发展的物质世界”。物质不是物理里物质、能量、信息的物质，是客观实在的总和，大爆炸前的绝对虚无（道家也有无中生有创造宇宙）都是物质的另一种形态（马哲不存在绝对虚无和绝对不可知。无中生有创生无限宇宙的虚无（奇点）只是物质世界的另一种形式，只是人类现有理论无法认知解释的存在形式。宇宙大爆炸只是物质世界从虚无的形式转变成我们现在可感知的宇宙形式。）。哲学里的世界和宇宙也是就是全部、所有、一切可感知不可感知客观事物的总和。宗教神学里宇宙也是等同神和无限的存在。
我个人认为随着科学的无限发展，后技术奇点时代，人类和超级AI文明一定会理解并超越虚无、存在、无限、时空、逻辑等终极概念，甚至能发现、创造无限新的终极形式。

广义多重宇宙假说
该理论认为有绝对无限层（类）绝对无限种绝对无限大的多重宇宙，是一种无限多样永恒发展的宇宙观，世界观。无限把科学的边界扩展到神学哲学的领域，说明人类文明的发展是无限的，有无限的发展空间，科技可以通过无限种类似技术奇点的发展道路实现超越神（级文明）的。世界的可能性是无限的，终极问题是无限的，人类有无限的未知需要探索（可知论不可知论不再重要），科学有无限的可能（永远不会终结），不存在单一的终极理论（如不要老想着大统一理论了，无穷的宇宙有无穷数学结构、物理规律）。宇宙可以是神创人择（这么多宇宙总会演化出无穷高级文明，神级文明创造自己宇宙）也可以是自然演化（无穷的宇宙演化出看似奇迹的生命、文明就很正常了）。无限的宇宙导致无限多样的规律，看似无比复杂了，但每一种规律却简单了。无穷的可能性带来无尽的自由意志和随机性，使必然性和偶然性，不再那么矛盾，实现了矛盾的对立统一。多重宇宙使人看起来更渺小了，好像弱化了人生的意义，但也从另一个角度无限丰富了意义的内涵，给人去追寻新的梦想和意义提供了无尽可能。

可观测宇宙的直径约930亿光年，而宇宙的不可观测部分的尺寸与存在状况目前无法确定，其未必是通过和可观测宇宙类似的过程起源的。宇宙的不可观测部分可能有34500亿光年[1]到10^9543光年[2]的半径，也有可能是无限大的。
在尺寸有限的情况下，宇宙可能是有界无边的，就像你在尺寸有限的地球上行走的时候即使绕地球一圈也不能走到太空去一样。
过去曾经有学者提出，宇宙的实际尺寸可能小于可观测宇宙。2003年，Cornish等学者基于我们所见的宇宙微波背景辐射的对跖点之间的距离估计，整个宇宙（并非可观测宇宙）直径的下限是240亿秒差距。他们的理由是，宇宙具有复杂的拓扑结构，如果我们设想宇宙的尺寸是有限的且整个宇宙的尺寸要小于可观测宇宙，那么宇宙早期的光有足够的时间在宇宙中环绕移动，在背景辐射中多重成像。他们在横跨240亿秒差距（约780亿光年）的观测数据范围内寻找该效应，没有任何发现，于是给出了直径的下限。
宇宙不需要被创造。
二十世纪六十年代，霍金和罗杰·彭罗斯证明，当时空的弯曲足够陡峭，时空会不可避免地坍缩，爱因斯坦方程将会不起作用，需要新的量子引力理论才能解释。彭罗斯-霍金奇点定理表明，时空无法从一个点中平滑而稳定地展开，“大爆炸奇点”并不存在。
霍金将费曼的总和历史方法应用于研究宇宙起源，这涉及总和在时空的每一条世界线可能发生的事件，意味着必须考虑宇宙的边界条件，而最特殊的边界条件就是没有边界。1981年，霍金发表了论文《宇宙边界条件》，提议宇宙可能没有边界，即没有起源或终结。
1983年，霍金与詹姆斯·哈特尔合作提出宇宙无边界模型：

• 在普朗克时期之前，由于量子力学的不确定性原理，宇宙没有时空边界；
  
• 在极早期宇宙里只有空间、没有时间，宇宙起源的概念毫无意义。
  

那之后，霍金多次谈到，宇宙可以通过量子机制整个涌现于虚无之中。

• 我们可以构建这样的模型：宇宙的总能量是零。
  
• 在宇宙的总能量是零的情况下，要平衡恒星的能量，简单有效的方法是抬出引力：引力是吸引的，引力能是负的，你必须做功才能把引力束缚的系统（例如地球和月球）分离开。
  
• 但是，地球的引力能不到构成地球的物质粒子的不变质量所对应之能量的十亿分之一。恒星这样的物体会有更负的引力能，恒星的尺寸越小（它的不同部分相互靠得越近），引力能就越负，可是在引力能足以抵消自身的不变质量之前，该恒星就足够坍缩成黑洞了，而黑洞具有正的能量。
  
• 这导致真空的相对稳定，避免在你脸上随机涌现恒星或黑洞[3]——避免量子涨落给你造成什么特殊的打击。
  
• 而整个宇宙却能自发涌现。因为引力赋形于时空，允许时空局部稳定且全体不稳定。在全宇宙的尺度下，物质的能量可以被引力能的负能量抵消到零。
  
• 由此，宇宙可以从无之中自我创生，不需要一个非常特殊的奇点，不需要任何类型的创世者。
  

过去几十年里，人们已经建立了许多不需要大爆炸奇点的宇宙学理论。