宇宙非常大,大到我们无法知道宇宙的确切大小。我们通常所说的“宇宙半径为465亿光年”是指可观测宇宙的范围,因为空间在超光速膨胀,宇宙的存在时间和光速都是有限的,所以遥远宇宙中的光还没来得及到达地球,我们无法观测到。我们只能到可观测宇宙之内的情况,所以我们通常所讨论的宇宙是指可观测宇宙。
在可观测宇宙中,包含多少天体?总质量会有多大?
我们生活在太阳系中,太阳是我们的主恒星,它包含了太阳系中的绝大部分质量,太阳的质量相当于地球的33万倍。太阳系之外还有十分广阔的世界,太阳与其他上千亿颗恒星、以及大量的星云组成了银河系。在可观测宇宙中,可能还有多达2万亿个星系,几乎每个星系都包含着数以亿计的恒星。
如果把可观测宇宙中的所有天体与星云加起来,其总质量将会达到10万亿亿亿亿亿亿(10^53)千克,相当于太阳质量的500万亿亿倍,地球质量的1.65万亿亿亿倍。既然宇宙的质量这么大,宇宙的密度会有多大呢?
通过计算可知,可观测宇宙的平均密度约为2.8×10^-28千克/立方米。由此可见,宇宙浩瀚无垠,空间大部分都是空的,天体之间相距都非常遥远。
以银河系为例,虽然银河系看起来充满了恒星,但平均每隔4光年(38万亿公里)才会有一颗恒星。而星系与星系之间的空间更是空旷,动辄数万光年至数十万光年。放眼浩瀚的宇宙,星系不过是汪洋大海上的一座座孤立小岛。
即便是太阳系内的空间,也是空荡荡的。正因为如此,旅行者1号及其他几艘能够飞出太阳系的无人探测器可以在太空中一直飞行,而不会撞上其他天体,它们不需要提前做好预警来避开宇宙中的天体。
相比之下,如果1立方光年的空间中装满水(太阳系的半径为1光年),其总质量将会高达8×10^50千克,相当于太阳质量的4万亿亿倍,银河系质量的8亿倍,可观测宇宙质量的千分之八。
通过计算可知,只要体积为125立方光年的水,其质量就会达到整个可观测宇宙的总质量,结果有些出人意料。125立方光年的范围在宇宙中非常小,也就一个边长为5光年的立方体,我们在地球上通过肉眼能够看到几十甚至几千光年外的恒星,而银河系的范围至少有10万光年。
不过,可观测宇宙中没有那么多的水。而且5立方光年的水不会像地球上的海洋那样存在,它们无法保持正常的状态,而是会发生强烈的引力坍缩,所有的水被压缩到无限小的奇点中,形成一个黑洞。
根据史瓦西半径公式,可以算出这个黑洞的半径约为166亿光年。在这个巨大范围内,光都会被束缚在其中,无法从中逃脱出去。
幸运的是,我们的宇宙并没有把所有的物质聚集在一起,而是分散在广阔的空间中,它们可以保持正常的状态。