物理

不可超越的自然極限

速度再快,也快不過光速;尺寸再小,也小不過普朗克長度;溫度再冷,也冷不過絕對零度;看得再遠,也看不見宇宙的邊界。為什麼自然界存在著這些不可超越的極限?這些極限又描繪了哪些關於這個世界的真實面貌?《科學人》特別邀請專家解答四大自然極限從何而來,以及這些極限背後的物理意義。

物理

不可超越的自然極限

速度再快,也快不過光速;尺寸再小,也小不過普朗克長度;溫度再冷,也冷不過絕對零度;看得再遠,也看不見宇宙的邊界。為什麼自然界存在著這些不可超越的極限?這些極限又描繪了哪些關於這個世界的真實面貌?《科學人》特別邀請專家解答四大自然極限從何而來,以及這些極限背後的物理意義。

宇宙時空
撰文/台灣大學物理系教授 吳俊輝

「宇宙有多大?」一直是個古今玩味的問題,但是這個問題和「我們能看到的宇宙有多大」並不一樣,而且很不一樣。換句話說,即使現今的宇宙是無窮大,我們所能見到的範圍卻永遠是有限大。目前宇宙的年齡大約是140億歲,而可見宇宙的範圍卻是一個半徑約為460億光年的球體!你的腦筋是否已經打結了呢?讓我娓娓道來。

要估算樹的年齡,我們使用年輪,同樣地,要估算宇宙的年齡時,我們得先找到「宇宙年輪」:一個會隨時間改變的物理量。目前已找到且被廣泛應用的宇宙年輪便是「宇宙微波背景輻射」(cosmic microwave background, CMB),它是來自宇宙初生時的光,它的溫度即是俗稱的宇宙溫度。由於能量守恆,CMB的溫度會隨宇宙的膨脹而下降,因此我們可由CMB目前的溫度「2.73K」,來推得宇宙已膨脹了約「140億年」之久(宇宙溫度由初生時的幾近無窮大降至3000K,只需要約40萬年的時間,因此宇宙初生時的確實溫度對這140億歲的估算值影響甚小)。但在這個推算過程中,實際上我們已使用了一些額外的資訊,包括現今宇宙的組成中暗能量約佔七成、暗物質約佔兩成等,因此,如果未來數年間,這些資訊因新觀測數據而有所改變,或宇宙學模型有重大修正,則這140億歲的估算值將會不保,必須再重新估算。

由於宇宙的年齡是有限大的,所以光源太遙遠的光,將在宇宙現今的有限之齡還來不及到達我們這裡,它還在半路上。因此我們目前所能見到的宇宙大小,受限於光自宇宙誕生至今所能走的最遠距離,由此距離為半徑所畫出的球體,便是我們現今所能觀測到的宇宙範圍。也就是說距今10億年後,我們所能見到的宇宙範圍將會更大,因為來自宇宙誕生、更遠處的光將會陸續抵達我們。

那麼「光」走140億年的距離不就是140億「光年」嗎?為何可見宇宙範圍的半徑竟高達460億光年?那是因為宇宙一直在膨脹!光走一年的距離原本應為一光年,但由於宇宙膨脹的關係,會把原本光已走過的一光年拉得更長!因此依理論計算,同時採用上述暗能量和暗物質的比例資訊,我們可推得目前可觀測宇宙的範圍,約是一個以我們為球心、半徑為460億光年的球體。舉一反三,就一個位在遠處的外星人而言,他所能見到的宇宙大小雖和我們相同,但實際的範圍卻不相同,這就像是在霧中行車,每位駕駛的視線距離是相同的,皆受限於霧的濃度,但每位駕駛的視線範圍卻不相同,因為他們的位置不同。

你腦筋中的結已解開了嗎?但願沒有更糟!



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