宇宙有限论

半剑飘东半剑西

宇宙有限论

      自小接受的教育，都是“宇宙是无穷无尽的”，宇宙没有边界。

      宇宙有限论的“宇宙”，是指“可观测宇宙”，下称可测宇宙。

      其常用的长度单位是光年。

      光年是光在真空中传播一儒略年（365.25天）所经过的距离。

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目录

§01      宇宙总貌

§01_0  总星系

§01_1 超星系团

§01_2 星系团和星系群

§01_3 星系

§01_4 星系子系统

§01_5 圆珠笔芯

§01_6 太阳系与银河系之比

§01_7 太阳系与本星系群(团)之比

§01_8 太阳系与室女座超星系团之比

§01_9 当前太阳系与宇宙之比   

§02  记号及其释义

§03  “物质非无限可分”论

§04  试修改“宇宙大爆炸”理论

§05  普朗克时代的宇宙体积上限

§06  大统一时代的宇宙体积上限

§07  暴胀时代的宇宙体积上限

§08  新暴胀模型下宇宙天体“种子”的尺寸

§09  CMB(3K背景辐射) 诞生时的宇宙体积上限

§10  “哈勃球”内宇宙天体的可观测性

§11  暴胀10^80倍的不可思议性

§12  “哈勃球”极限半径与未来错过观测的可能

§13  （到目前为止）宇宙空间与时间有限性的实证结果

§14  基本粒子大观园

§14_1  物质分解：从分子到夸克

§14_2  物质粒子的“身份标签”

§14_3  夸克与反夸克及其分类

§14_4  夸克与反夸克的特殊身份标签

§14_5  宇宙之间的四种基本力

§14_6  基本粒子费米子

§14_7  基本粒子玻色子

§15  复合粒子与非引力基本力

§15_1  强子及其分类

§15_2  重子及其分类

§15_3  再论强核力：胶子、色中性与“色禁闭”

§15_4  介子及其分类

§15_5  矢量介子与赝标介子

§15_6  二论强核力：胶子与“‌色力管‌”

§15_7  三论强核力：π介子与残余强相互作用

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§02  记号及其释义

       由于宇宙学经常要接触到巨大数字，如亿亿亿亿倍，不如10的32次幂倍方便。

       由于论坛上发文本目前暂时无法发表上标和下标，因此记号“^”是上标、记号“_”是下标。

      10^3是10的3次幂，即1000（一千），同理10^8是100000000（一亿）。

      10^(-2)是10的(-2)次幂，即0.01（10^(-2)米是0.01米即一厘米），是100的倒数。

      同理，10^(-8)是10的(-8)次幂，即0.00000001，它是1亿的倒数，代表一亿分之一。

      幂与上标记号在宇宙学业也用于记录基本粒子，例如π介子有三种，不带电的用π上标0表示，记为π^0，带正、负电荷的分别用π上标+、π上标-表示，分别记为π^+、π^- 。即π⁺、π⁻和π⁰ 。

      记号“_”是下标，例如氢分子的记号（分子式）为H下标2（H₂），在文本中记为（H_2）。

      粒子μ子对应的中微子，记号是“v”加下标μ，采用下标几号“_”则为v_μ。

      另有粒子τ子对应的中微子，记为v_τ。

      普朗克常数(h)除以圆周率π再除以2，称为“约化普朗克常数”或“狄拉克常数”。记为ħ (读h折)。
      粒子u的反粒子记为 ū 。
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§01 宇宙总貌

§01_0 总星系

      于天体结构而言，宇宙的最大结构是总星系，总星系涵盖了整个宇宙中的所有天体和物质。

      过天体中最远两点作线段，其长度不妨称为（该天体的）直径，直径的一半为半径。

      如果只在乎天体的尺度大小，不妨以该天体最远两点所在线段的中心为球心，其半径为半径作球体，则该球体可模拟该天体。因此天体的尺度，可用天体的直径作为表征。

§01_1 超星系团

       总星系的子结构是超星系团，总星系含有约1,000万个或0.1亿个超星系团。

       最“轻”的超星系团质量约为10^15个太阳质量，即约一千万亿个太阳质量。

       最“重”的超星系团质量约为10^17个太阳质量，即约十亿亿个太阳质量。

       包含地球的超星系团是室女座超星系团，其总质量约一亿亿个太阳质量。

       室女座超星系团的直径约为1.5亿光年。

       室女座超星系团也称本超星系团，与本超星系团较近的超星系团有武仙超星系团、北冕超星系团、巨蛇-室女超星系团等。

§01_2 星系团和星系群

      总星系的孙结构、超星系团的子结构是星系团、星系群。

      星系群和星系团的主要区别在于它们所包含的星系数量——星系群中的星系较少，而星系团中的星系较多。星系一个例子是银河系。

      银河系所在的星系群叫做本星系群，成员星系大约为50个。

      本星系群的直径约为652万光年。

      距离本星系群较近的一个星系团是室女星系团，包含了超过2500个星系。

      室女星系团是是离地球最近的一个不规则星系团，其直径约1300万光年。

      其他星系团例如：武仙座星系团、长蛇座星系团、半人马座星系团、天炉座星系团等。

§01_3 星系

      超星系团的孙结构是星系，星系团和星系群的子结构是星系。

      星系是构成宇宙的基本单位，它是一个包含恒星、绕恒星运行的行星和彗星、气体、宇宙尘埃和暗物质等星际物质，并且受到重力束缚的天体系统。

      在宇宙中，星系的总数可能达到一千亿个以上。

      星系际空间（存在于星系之间的空间）充满了极稀薄的等离子，平均密度小于每立方米一个原子。

      星系主要分成三类：椭圆星系、螺旋星系和不规则星系。螺旋星系可分为正规螺旋星系、棒旋星系和不规则螺旋星系等。

      包含太阳的一个典型星系是银河系。银河系属于棒旋星系。

      其他著名的星系例如：

      仙女座星系（M31），距离银河系最近的大星系，直径约为22万光年，是本星系群中最大的星系；

      波德星系（M81），是地球天空中最明亮的星系之一，位于大熊星座北部方向；

      仙女座大星云，曾被称为仙女座大星云，是距离银河系最近的大星系，也是肉眼可见的最遥远的天体之一。

      2020年03月25日，科学家找到银河系的精确边界，并据此得到，银河系的精确直径为190万光年，误差不超过40万光年。

      因此，银河系的精确直径，介于150万光年到230万光年之间。

      银河系大约拥有1,000亿至4,000亿颗恒星，并可能有1,000亿颗行星。

§01_4 星系子系统

      星系虽然是构成宇宙的基本单位，但还有次级的结构（子系统），

      其子系统中典型一类是，众多质量小的星体绕质量大的一颗到少数几颗恒星转动的子系统，尤其是如果存在一颗恒星在质量上占绝对优势（其他众多质量小的星体绕其转动），则该子系统称为中心式星系子系统。

      太阳系就是一个中心式星系子系统。

      太阳系是以太阳为中心并受其引力使周边天体维持一定规律运转所形成的天体系统。

      如果以奥尔特云为界限，那么太阳系的最大直径约为4光年，最大半径约为2光年。

§01_5 圆珠笔芯

      传媒披露，中国每年圆珠笔的产量是380亿支，占全世界总供应量的80%，但2016年以前，圆珠笔的笔芯尚需进口，2020年后才国产化。

      圆珠笔的笔芯指笔尖的小圆珠及其支承之球座体，小圆珠常见的规格有0.5mm和0.7mm两种。0.5mm即是直径为0.5*10^(-3)米，或半径为0.25*10^(-3)米。

      有了上述的层次结构，以及圆珠笔芯——假定就是直径为0.5*10^(-3)米那种球体（下称标准圆珠笔芯），我们可以感知，宇宙的有限，有限到什么程度呢？

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§01_6 太阳系与银河系之比

       假定太阳系就是以太阳中心为球心，半径2光年，包含奥尔特云的球体，并把此太阳系缩小为一颗标准圆珠笔芯；

       那么，同样缩小之后，银河系的精确直径，介于187.5米到287.5米之间。

       查询中国建筑协会官网所显示，普通楼房一层换算高度为4米高，187.5米到287.5米之间可换算为47层到72层大楼的高度。

       南京鼓楼紫峰大厦大观光层处于72层，地面高度为288.6米。

       因此，银河系最远两点的距离，就相当于紫峰大厦观光层高度。换言之，

       太阳系直径与银河系直径之比，就相当于一颗标准圆珠笔芯的直径，与（每层高4米的）47层到72层大楼高度之比。

     （精确计算见附录）

§01_7 太阳系与本星系群(团)之比

       如上述，将以奥尔特云为界限的太阳系，缩小为标准圆珠笔芯；

       那么，本星系群的直径，同比缩小为815米。

     （精确计算见附录）

      以红螺寺出名的北京红螺山，高度约813米；世界最高建筑物迪拜塔，高度约828米。

      太阳系直径与本星系群直径之比，就相当于一颗标准圆珠笔芯(小圆珠)的直径，与北京红螺山长度之比。

      换言之，本星系群的直径，缩小为比迪拜塔的高度略减。

      同理，本星系团的直径，同比缩小为1625米。

     （精确计算见附录）

       北京的东长安街全长1507米,西长安街全长1742米。半条长安街之长为1625米。

       太阳系直径与本星系团直径之比，就相当于一颗标准圆珠笔芯(小圆珠)的直径，与半条北京长安街长度之比。

§01_8 太阳系与室女座超星系团之比

       同上，将上述太阳系缩小为一颗标准圆珠笔芯(小圆珠)；

       那么，室女座超星系团的直径，同比缩小为18750米=18.75公里。

       从北京天安门到颐和园距离，大约为19公里；更具体，从天安门西到天通苑南坐地铁单程19站,运行18.75公里 ,票价5元。

       因此，太阳系直径与室女座超星系团直径之比，就相当于一颗标准圆珠笔芯(小圆珠)的直径，与北京天安门到颐和园距离之比。

§01_9 当前太阳系与宇宙直径之比

       目前处于宇宙年龄138亿年阶段，根据膨胀宇宙论得到的宇宙，称为“当前宇宙”。

       当前宇宙的半径约为465亿光年，直径约为930亿光年。

       同上，将上述太阳系缩小为一颗标准圆珠笔芯(小圆珠)；

       那么，当前宇宙的直径，即当前宇宙最远两点的距离，同比缩小为116.25*10^5米=11625公里，比北京到伦敦的直线距离,略减少一些。

     （精确计算见附录）

       将过当前宇宙最远两点的线段中间点视为圆心，以当前宇宙半径为半径，作一个圆平面，可模拟当前宇宙的视界。

       按照上述的同比缩小，上述圆平面的面积为10614万平方公里，约是地球陆地面积的七成，相当于亚洲、欧洲、美洲、澳洲总面积。

       因此，当以奥尔特云为界限的太阳系，缩小为标准圆珠笔芯(小圆珠)，太阳系的视界缩小为过小圆珠球心的截平面；

       在同样意义下，当前宇宙的视界面积，相当于地球陆地面积的七成，也相当于亚洲、欧洲、美洲、澳洲总面积。

       当前宇宙的有限面积，依然相当可观，但离我们当初想象的“无穷无尽”，又“小”得多！

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§03  “物质非无限可分”论

       从小我们的“政治”课，老师总说“物质是无限可分的”、“事物总可以一分为二”，
       数学老师更具体为，一米长的线段，从中点一分为二，变成1/2长的线段，再从其中点一分为二，变成1/4长的线段….，
       一直从中点一分为二，变成1/(2^n)长的线段….

       从哲学角度貌似正确。问题是：
       其一，物质是否总是无限可分的？线段是否可以永远一分为二？
       其二，即使其一是正确的，你能否看得到？
       其三，即使其一是正确的，科学仪器能否观测得到？

       人眼看到物体，其原理是照射到物体上的光线发生反射，所反射的光线经过眼球光学系统的折射后聚焦在视网膜上，经过大脑整合后形成图像。
       科学仪器的观测更加先进，借助可见与不可见光线、其他探测媒介，将物体的图像保存在存储器中，可以反复查询。
       线段可以永远一分为二（允许两部分长度不等）的前提是能够找到线段的中间点，前提是线段的两端位置能确定。

       要测量一个物体的位置，我们得用照在其上的光所得的反射，或其他探测媒介类似于反射的一种“进程”。
       进一步，测量到该物体的不同两点，可得到一根线段；测量到该物体的不同三点，可得到一个平面区域；测量到该物体的不同边界点，可得到该物体的轮廓。
       ——最少得前提是能通过测量，分辨该物体的不同两点。
       此不同两点的距离越短，科学仪器越需要更短波长的光子，如此表示这些光子的能量会更高；
       如使用其他探测媒介，同样其构成粒子的能量会更高。

       如此能量高到一个程度，使用可见与不可见光线的测量，其过程中，光子撞到物体时可以产生黑洞，
       这个黑洞可以“吞噬掉”光子而让测量失败——得不到测量结果；
       使用其他探测媒介，同样因为能量过高的“黑洞效应”，使得测量结果得不到。

       衡量以上“失效”行为，存在一个阀值，可用对应的测量长度（不同两点的距离）加以表征，这就是“普朗克长度”。

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       普朗克长度的值约为10^(-33 )厘米，即10^(-35 )米。
       因此，当线段不断一分为二、丢弃其一半，到剩下线段长度短于普朗克长度，
       我们无法判定是是否能一分为二，即使用了最先进的科学仪器。

       同理，物质是否总是无限可分，我们无法判断、无从真实，
       因为当剩下物质的直径（其上两点的最长距离）小于普朗克长度时，
       即使使用了最先进的科学仪器，我们也无从测量其上的变化。

       总结，从实证角度，“物质并非无限可分”、“事物并非总可以一分为二”。
       换言之，从实证角度，物质只能作有限“分解”，事物只能有限次地“一分为二”。

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       与普朗克长度相对应，还有普朗克时间。
       普朗克时间约为10^(-43)秒。
       由于速度等于距离除以时间，因此时间等于距离除以速度。两者的换算是：
       普朗克长度等于普朗克时间乘以光速，普朗克时间等于普朗克长度除以光速。

       如果一个事件发生的间隔时间在普朗克时间之内，我们即使使用了最先进的科学仪器，也无从分辨出该事件发生的开始和结束。
       所有在普朗克时间内发生的事情，都只能视为同一件事情。

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§04  试修改“宇宙大爆炸”理论


       利用普朗克时间和普朗克长度，笔者将传统宇宙学的“大爆炸”理论，加以改造，从而得到“宇宙有限论”的一种尽量科学的解释。
     “大爆炸宇宙论”（The Big Bang Theory）是在包含目前的近四十年来的教科书理论。

     “The Big Bang Theory”认为：宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。
       奇点是0维的一个孤立点；0维指没有长度(x轴)、没有宽度(y轴)、没有厚度(z轴)。
       大爆炸的通俗解释是：在“原初”时段，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸。

       笔者的修改是，宇宙的“原初”不是0维，不是处于一个奇点（孤立点），而是3维的，
       只是“原初宇宙”的长度(x轴)、宽度(y轴)、厚度(z轴)，都在普朗克长度之内，无从测量。
    “原初宇宙”处于极度炽热状况，温度之高，已达到10^32 K(K为开尔文温度符号)；
       而“原初宇宙”，尚未发生“大爆炸”的宇宙，经历时间，在普朗克时间之内；
      即是：
      在时间轴的t=0，宇宙的三个维度的长度均在普朗克长度之内。
      在时间轴的t=10^(-43)秒，宇宙的三个维度刚刚获得稍为超过普朗克长度的尺寸，不超过2个稍少倍的普朗克长度即2*1.6 × 10^(-35) 米略小的3× 10^(-35)米。

      因此，在宇宙的“原初”时段，即在时间轴的t=0到10^(-43)秒之间，宇宙是有限的，
      宇宙可以包含在一个长、宽、高均为3×10^(-35 )米的正方体之内。

     在宇宙的“原初”时段，宇宙的体积在2.7×10^(-104 )立方米之内——因而有限。

凌妙颜

如果宇宙有限，那么宇宙存在于什么空间呢？