對幾十億光年以外遙遠宇宙中星系的超深檢視。

你可能會認為宇宙是無限的，老實說，它可能真的是無限的，但我們認為我們永遠也不會確定。由於大爆炸——宇宙有生日，或者我們只能回到有限的時間——以及光速是有限的，我們只能看到有限的宇宙。到今天為止，可觀測的宇宙，有138億年曆史，從我們這裡向四面八方延伸了461億光年。那麼，138億年前，它到底有多大？讓我們看看我們看到的宇宙，找出答案。

赫拉克勒斯星系團展示了幾億光年之外的大量星系。

當我們望向遙遠的星系時，就我們的望遠鏡所能看到的，有些東西很容易測量，包括:

它的紅移是什麼，或者它的光從慣性靜止框架中轉移了多少，

它看起來有多亮，或者我們可以從遠處的物體上測量到多少光，

它看起來有多大，或者它在天空上佔據了多少角度。

這些非常重要，因為如果我們知道光速是多少(我們確切知道的少數事情之一)，以及我們所看到的物體本質上是多麼明亮或巨大(我們認為我們知道；更快)，然後我們可以一起使用這些資訊來知道任何物體實際上有多遠。

標準蠟燭(左)和標準標尺(右)是天文學家過去在不同時間/距離測量空間膨脹的兩種不同技術。

事實上，我們只能估計一個物體到底有多亮或多大，因為有一些假設會涉及到這一點。如果你看到一顆超新星在遙遠的星系中爆炸，你假設你知道那顆超新星的內在亮度是基於你所看到的附近超新星，但是你也假設那顆超新星爆炸的環境是相似的，超新星本身也是相似的，你和超新星之間沒有任何東西可以改變你正在接收的訊號。天文學家稱這三類效應為進化(如果更老/更遠的物體本質上不同)、環境(如果這些物體的位置與我們認為它們所處的位置明顯不同)和滅絕(如果灰塵之類的東西阻擋了光線)效應，以及我們可能甚至不知道正在起作用的效應。

宇宙的歷史，從我們使用各種工具和望遠鏡所能看到的，一直追溯到SDSS目前的最大深度。

但是如果我們對我們看到的物體的內在亮度(或大小)是正確的，那麼基於簡單的亮度/距離關係，我們可以確定這些物體有多遠。此外，透過測量它們的紅移，我們可以知道隨著光向我們傳播，宇宙已經膨脹了多少。因為物質和能量與空間和時間之間有一種非常明確的關係——愛因斯坦廣義相對論給我們的確切東西——我們可以利用這些資訊來計算出今天宇宙中存在的所有不同形式的物質和能量的所有不同組合。 但這還不是全部！

如果你知道你的宇宙是由什麼組成的，那就是:

0.01%— Radiation(光子)

0.1%— Neutrinos(質量很大，但比電子輕約100萬倍)

4.9%— Normal物質，包括行星、恆星、星系、氣體、塵埃、等離子體和黑洞

27%— Dark物質，一種引力相互作用的物質，但不同於標準模型中的所有粒子

68%導致宇宙加速膨脹的— Dark能量

你可以利用這些資訊來回溯宇宙過去的任何一點，找出當時不同的能量密度組合，以及在這一過程中的任何一點它有多大。因為它們的說明性很強，我將把它們繪製成對數刻度，讓你看一看。

如你所見，暗能量在今天可能很重要，但這是最近的發展。在宇宙歷史的前90億年的大部分時間裡，物質——以正常物質和暗物質的組合形式——是宇宙的主要組成部分。但是在最初的幾千年裡，輻射(以光子和中微子的形式)甚至比物質更重要！ 我提出這些是因為這些不同的成分，輻射，物質和暗能量，都以不同的方式影響宇宙的膨脹。儘管我們知道今天宇宙在任何方向都是461億光年，但我們需要知道過去每個時代的確切組合，以計算在任何給定時間它有多大。看起來是這樣的。

這裡有一些有趣的里程碑，可以追溯到過去，你可能會感激: 銀河系的直徑是10萬光年；在大約3歲時，可觀察到的宇宙以此為半徑。 當宇宙一歲時，它比現在熱得多，密度也大得多。宇宙的平均溫度超過200萬開爾文。 當宇宙只有一秒鐘大的時候，它太熱而無法形成穩定的原子核；質子和中子在熱等離子體的海洋中。此外，整個可觀測宇宙的半徑，如果我們今天圍繞太陽畫的話，將只包含七個最近的恆星系統，最遠的羅斯154。 宇宙曾經只是地球到太陽的半徑，發生在宇宙大約一萬億分之一(10-12歲)的第二個舊版本。當時宇宙的膨脹速度是1029乘以今天的價格。 如果我們願意的話，我們可以追溯到更遠的地方，當然，追溯到通貨膨脹第一次結束的時候，也就是引發大爆炸的時候。我們喜歡推斷我們的宇宙回到奇點，但通貨膨脹完全消除了這種需求。取而代之的是一段不確定長度的指數膨脹期，它結束於一個熱的、密集的膨脹狀態，我們稱之為我們所知宇宙的開始。我們與通貨膨脹的最後一小部分聯絡在一起，大約在10-30和10-35歲價值幾秒鐘。每當那個時候，通貨膨脹結束，大爆炸開始，我們就需要知道宇宙的大小。

同樣，這是可觀察的宇宙；真正的“宇宙的大小”肯定比我們所能看到的要大得多，但是我們不知道有多大。從斯隆數字天空巡天和普朗克衛星來看，我們的最佳極限告訴我們，如果宇宙確實自身彎曲並閉合，我們能看到的部分與“未彎曲”的部分是如此難以區分，以至於它至少是可觀察部分半徑的250倍。 事實上，它甚至可能是無限的，因為宇宙在通貨膨脹早期所做的一切對我們來說都是未知的，除了通貨膨脹歷史上的最後幾分之一秒之外，一切都被我們從通貨膨脹本身的本質中所觀察到的東西抹去了。但是如果我們談論的是可觀察的宇宙，並且我們知道我們只能在最後10年之間的某個時間進入-30和10-35歲大爆炸發生前幾秒鐘的膨脹，那麼我們知道可觀測的宇宙在17釐米(對於10-35歲第二版本)和168米(對於10-30第二個版本)在我們稱之為大爆炸的熱緻密狀態開始時的尺寸。

最小的答案——17釐米——大約是足球大小！宇宙不可能比這小得多，因為宇宙微波背景的限制(波動很小)排除了這種可能性。很有可能整個宇宙比那個大得多，但是我們永遠不知道有多大，因為我們所能觀察到的只是實際宇宙真實大小的下限。 宇宙第一次誕生時有多大？如果最好的通貨膨脹模型是正確的，介於人頭大小和摩天大樓林立的城市街區之間。只要給它時間——在我們的例子中是138億年——你就會得到我們今天看到的整個宇宙。

從哲學層面回答這個問題，宇宙是沒有開始，沒有結束，無邊無際的，宇宙包含一切，所有的物質、能量、結構都在宇宙中，宇宙只有一個，沒有其他宇宙。從當前物理學層面回答這個問題，我們所知的這個宇宙誕生於130億年前的一次大爆炸，根據大爆炸理論和宇宙爆脹理論，可觀測宇宙大約930億光年，在大爆炸以前是什麼樣的，目前的物理學無法解釋，只能說宇宙從奇點大爆炸而來，爆炸前所有的物理定律不存在或不適用。