压缩宇宙

一个让你大吃一惊的简单思想实验

C. Scharf 2017

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,仅反映作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点


我们都或多或少接触过压缩。也许是物理压缩——一块神奇的海绵,在释放和浇水后会弹回正常大小。你必须坐在上面才能挤出空气的行李箱。你费力搬回来的沉重丙烷罐,用来连接你的烧烤架。或者也许是软件压缩;数据压缩,数千张假日快照被 JPEG 或 GIF 压缩算法咀嚼和回流。

移除多余空间的想法非常常见。

在宇宙尺度和原子尺度上,关于“万物皆是空旷空间”的观察已经被多次提出。但看到这个说法是多么真实仍然令人惊讶。


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当我写我的新书《可缩放的宇宙》(当然,这篇文章绝不是在偷偷暗示,亲爱的读者,您可能对这本书感兴趣)时,我决定用这个来产生一些戏剧性的效果。

如果我们能以某种方式收集银河系中的所有恒星,并将它们紧密排列在一起——就像一大箱紧密堆叠的苹果一样会怎样?当然,自然永远不会允许这样做,引力会占据主导地位,恒星很可能会合并成一个巨大的黑洞,并伴随着一些抱怨。但作为一个思想实验,这是一种很好的方式来展示星系中的空间大小。

答案相当令人震惊。如果我们假设银河系中可能有大约 2000 亿颗恒星,并且我们慷慨地假设它们都具有与太阳大致相同的物理直径(这是一种高估,因为绝大多数恒星质量更小,体积也更小),我们仍然可以将它们全部放入一个立方体中,这个立方体可以容纳在我们太阳系海王星的轨道直径之内。

换句话说,如果我们的银河系横跨其圆盘大约 1021 米,我们现在已经收集了每一颗恒星,并将它们全部放入一个跨度小于 1013 米的立方体中。这是一个线性尺度上 1 亿的健康压缩率。

为了更形象地说明,想象一下你将你的汽车纵向压缩 1 亿倍,它最终将大约 50 纳米宽。这大约是病毒的宽度。

太空中存在着巨大的空旷空间。虽然拖运起来可能有点笨重,但你可以打包整个星系并随身携带。

这让我想到下一个更疯狂的层面。在可观测宇宙中,由自大爆炸以来光传播的宇宙视界定义,目前的估计表明,宇宙中存在 2000 亿到可能多达 2 万亿个星系。(虽然这个高数字包含了所有最终合并成更大星系的小“原始星系”)。

让我们大胆一点,仍然采用更大的数字。现在让我们打包所有这些星系中的所有恒星——再次,我们将非常慷慨地假设它们都和银河系一样大(实际上大多数都会小得多)。这将使我们得到 2 万亿个立方体,每个立方体跨度为 1013 米。将这些立方体组合成一个更大的立方体,我们就得到了一个边长约为 1017 米的巨型立方体。

很大,对吧?嗯,不,在宇宙尺度上不算大。记住,我们银河系的直径约为 1021 米,所以 1017 米大小的立方体仍然只有星系大小的 1/10,000。事实上,1017 米只有大约 10 光年!

当然,这一切有点像客厅把戏。但它确实深刻地揭示了宇宙的体积中实际上只有极少部分被更密集的物质占据。引用了伟大的道格拉斯·亚当斯的话:“太空是巨大的。真的很大。你简直无法相信它有多么浩瀚、多么巨大、多么令人难以置信。我的意思是,你可能认为去化学家那里有一段很长的路,但与太空相比,那只是小菜一碟。”(《银河系漫游指南》)。

我想亚当斯也会喜欢《可缩放的宇宙》。

 

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