相对论|宇宙到底有多大？大得超乎想象
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“四方上下曰宇 ， 往古来今曰宙 。 ”中国古人准确地道出了今天我们对宇宙的定义 。
在17世纪现代科学诞生的时代 ， 人们认为时间与空间是互不相干的两样东西 ， 牛顿认为时间和空间都是绝对的、独立的实体 ， 他把它们称为绝对时间和绝对空间 ， 绝对空间是物质赖以存在的实体 ， 而时间则是运动赖以存在的实体 。 但到了20世纪初 ， 爱因斯坦以狭义相对论把两个独立的实体统一了起来 ， 组成一个称为时空的实体 ， 它认为时间是相对的 ， 空间也是相对的 ， 唯有时空是绝对的 。 与此同时 ， 它也把从前各自独立的物质和能量统一起来 ， 质量和能量是物质的两个属性 ， 跟时空一样 ， 质能也是统一的 。
在发表狭义相对论的十年后 ， 爱因斯坦再次颠覆时空 ， 他指出质量和能量的存在会引起时空的弯曲 ， 牛顿所说的引力其实这是时空弯曲后的一种现象 。 当提出这一划时代的全新引力理论后 ， 爱因斯坦发现似乎物质和时空也不是彼此独立的 ， 弯曲的时空里就包含着能量 ， 那么时空似乎不再是一个独立的实体 ， 他因此指出 ， 不存在一个独立的绝对的时空 ， 时空必须与物质（质量和能量）同时存在 。 爱因斯坦在晚年甚至以此怀疑时空存在的客观性 。
至此我们可以认为 ， 时空质能是一个统一的整体 ， 而我们就称这个整体为宇宙！也就是说 ， 宇宙包括了所有的时间、空间、质量、能量 。
那么很显然 ， 大家从前认为可能存在的那个无边无际、空无一物的空间可能并不存在 ， 即使存在 ， 也与我们的宇宙无关 ， 所以我们就按照这个宇宙的定义来看看宇宙究竟有多大？
在1919年爱丁顿通过日全食验证广义相对论的10年后 ， 哈勃利用Ia型超新星的光度确定了20多个河外星系的距离后 ， 通过光谱分析测量各星系的红移值 ， 他发现距离越远的星系红移越大 ， 成正比例关系 ， 从而得出了哈勃定律 。 根据哈勃定律 ， 科学家很容易就想到宇宙整体似乎正在膨胀 。
既然现在的宇宙在膨胀 ， 那么假如我们沿时间回溯回去会怎样？结果是显而易见的 ， 宇宙中所有的星系都会缩回到一个很小的区域里 ， 于是 ， 基于宇宙膨胀的宇宙大爆炸理论很自然就被提出来了 。 现在 ， 科学家用不同的方法测量了宇宙膨胀的速率 ， 即哈勃常数 ， 由于使用不同方法测量的结果存在差异 ， 我们一般采用普朗克卫星通过宇宙微波背景辐射测量到的值 ， 约等于67.80±0.77(km/s)/Mpc(Mpc为百万秒差距 ， 1秒差距约等于3.261光年） ， 根据这数值可以计算得到宇宙的年龄约为138.2亿年 。
知道了宇宙年龄 ， 我们是不是就可以知道宇宙有多大了呢？因为狭义相对论限制了宇宙中速度的极限是光速 ， 既然宇宙只诞生了138.2亿年 ， 也就是那些宇宙大爆炸所产生的物质最远也只能跑138.2亿光年 ， 那宇宙的半径不就是138.2亿光年？
这推论很合理 ， 可惜它是错的 。 其实狭义相对论限制的是物质在时空中的运动速度不能超光速 ， 但前面说过 ， 根据哈勃定律 ， 对远方的河外星系远离的最合理解释是宇宙正在膨胀 ， 而宇宙膨胀导致的星系远离并非星系在时空中的运动 ， 而是时空自身的膨胀 ， 这并不受狭义相对论的光速极限的约束 。
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