宇宙有多空旷？

chaom

宇宙有多空旷？

z363046305

简单的回答是：宇宙非常非常非常的空旷。

我们先从微观世界开始。组成我们周围世界和我们自己的是原子。我们知道，原子很小。

如果把一个原子放大到一颗玻璃球那么大。

图片来自https://youtu.be/_lNF3_30lUE

你的拳头会有多大呢？

图片来自https://youtu.be/_lNF3_30lUE

答案是：和地球一样大。

然而，原子内部基本上是空的。原子包含原子核和电子，剩下的是大量一无所有的空间，大概有这么多：

图片来自https://youtu.be/_lNF3_30lUE

如果把这些空间都压缩掉，全世界人口只有这么一勺：

图片来自https://youtu.be/_lNF3_30lUE

再来看看空旷的太空。

关于地球和月球，我们常常看到这样的图片。

图片来自https://www.flickr.com/photos/ugordan/2237142824

但是，它并没有体现出真实的比例。真实的比例是这样的：

图片来自Every planet in our solar system could fit between Earth and the Moon

我们熟悉的太阳系主要是太阳和八大行星，其中最远的海王星距离太阳30个天文单位，即地球-太阳距离的30倍。其实，所有这些大行星都可以排列到地球和月球之间这0.0026天文单位的距离内：

图片来自Every planet in our solar system could fit between Earth and the Moon

这个范围内包含了太阳系的绝大部分物质，但是却远远不是太阳系的边界。来看看现在认识到的太阳系有多大吧。

图片来自Solar System

1. 内太阳系。最外层的行星是木星
2. 外太阳系。最外层是柯依伯带和冥王星。
3. 小行星Sedna的轨道。
4. 奥尔特云的内层。

下面来看看银河系。

恒星密度指单位空间中恒星的数量，这个概念可以告诉我们银河系有多空旷。

太阳附近的恒星密度是每立方光年有0.004颗恒星，也就是说250立方光年才会有一颗恒星。太阳的体积是1.41 x 10^18立方公里。就是说，这个空间的大小是太阳的1.5 x 10^23倍。

这相当于在地球这么大的空间里，只有一个足球。


银河系中有超过70%的是比太阳更小的红矮星，放在这样的空间中，它们相当于乒乓球的大小。

银河系中心和球状星团都是恒星最密集的地区，可以达到太阳附近物质密度的500倍。相当于在地球这么大的空间中放500个球。

银河系以外，是以十万或百万光年计算的虚无。下图是我们知道的所有宇宙空间。

图片来自Local Group

如果把所有的物质分摊到这个空间，它的密度是每立方米6个质子。地球这么大的空间，它的质量只有1粒沙。




最后，我们眼中一无所有的真空，其实充满了量子起伏，无数的粒子和反粒子在其中出现，消失。从某种角度来看，其实这是一个喧嚣的宇宙。

liuzengqiang_

我来随便说两句......

宇宙太空旷啦！（答主说了一句废话......）
渺小的人类啊！（答主又说了一句废话......）

就酱。



当然啦还是能通过一些办法直观感受一下的。

我觉得「空旷」可以大致可以分为两个层次：

一种是恒星级别的空旷，恒星间一般相距数光年至数百光年不等。

另一种是星系（群、团）级别的空旷，这个尺度太大，思索许久我决定还是上个图解决吧......

其实以人类视角观察，太阳系也足够空旷了[10]，不过与前两者相比简直不值得一提。（不过在本回答中是有提及的哟，请留意彩蛋）

接下来就重点说说恒星级别的空旷，再以此为基础挑战一下星系（群、团）级别。

恒星级别的「空旷」

首先请各位接受这样几个设定：

两两恒星间存在一条高速公路，每条高速公路上没有任何自然/人造光源。每颗恒星都是一个收费站，自带光芒。高速公路没有服务区。

这样一来一个庞大而没有路灯且没有服务区的「银河系高速公路网」就建立起来了。



万恶的银河系高速公路网哼。

那整个高速公路网有多少收费站呢？大概四千亿个吧。[1]


（银河系高速公路网四千亿收费站分布模拟图，咦，好像有点多 来源：NASA）

这哪叫有点多！！！区区一个银河系居然有四千亿个收费站！！！某天朝也不会那么丧心病狂好吧！！！

为方便表达，请允许我建立一个很奇葩的比例尺，这个比例尺的大小是：



读作「一比一点五万亿」，没记错的话一般地图的比例尺大概也就是百万级别，你们感受一下。简单来说就是将日地距离当作一分米。光线走这「一分米」的距离也需要差不多八分半钟。

天文学上有个叫「秒差距」（pc）[2]的距离单位，在当前比例尺下，


.
目前估计银河系直径约为31-37kpc[1]，取中间值34kpc，那么我们就把银河系压缩成直径



的一个玩意，这大约是地月系的大小。

嗯比例尺也设定好了，我们先来看看距离太阳 100 千米（5 pc）以内的收费站有多少。

目前知道的有 54 个[9]：


看上去 54 个好像很多的样子，可是他们可不像地球的收费站分布在同一个平面上。

再来看看太阳附近几个著名「收费站」的距离。

首先是最近的比邻星（1.295 pc）[3]，也就大概 27 千米的样子，好像不太远嘛！

但是别忘了，两个收费站之间没有任何自然/人造光源。

看看全银河系（地球人看起来）最亮的天狼收费站（2.64 pc）[4]，54  千米，相比比邻星远了一倍。然后是著名情侣收费站牛郎（5.14 pc）[5]织女（7.68 pc）[6]，两者分别距离我们太阳 106 千米（牛郎）以及 158 千米（织女）。

用了一个如此小的比例尺虽然还是异地恋，但是牛郎织女愉快地表示终于摆脱了一年只能滚一次床单的设定啦。



（太阳（系）附近的大型收费站 作者：Andrew Z. Colvin）

图中显示了距离在 300 千米内（约 15 pc）的大型收费站分布。维基百科上有个完整统计[8]，粗略数了一下，接近 300 个。

再来看看人们熟知的北极星收费站（132pc）[7]，其实人家的正式名称叫「勾陈一」。勾陈一收费站距离太阳约 2700 千米。

我百度了一下，这个距离大概是广州到北京的距离（高速公路约 2170 千米）。


先不说少算了 500 千米，想象一下，从广州开车到北京，

全。程。没。有。光。源。哦。亲。
连。服。务。区。也。没。有。哦。
上。厕。所。都。成。问。题。哦。

你们感受一下。

--------------------我是脑洞的分割线--------------------

如果用同样的比例尺换算太阳到银河中心收费站的距离（8.34 kpc）[1]，那已经跑出地球了，一旦跑出地球，感受就不直观了，于是我很机智地在比例尺的分母最后又加了一个零，变成这样：



日地距离相当于一厘米。身边有尺子的话可以拿出来比划一下，此刻太阳和地球就在大家的指尖。

这个时候银河中心收费站有多远呢？假设你手捧着太阳以及八大行星（此时太阳和海王星之间的距离只有 30 厘米）站在广州塔塔顶，



大家猜猜银河系中心在哪儿？



哟，那不是耶稣基督嘛。

PS：当日地距离等于一分米时，八大行星到太阳的距离是这样的：



红圈部分，单位分米。

距离最远的海王星离太阳约 3 米。如果在大学宿舍放这样一个太阳系，水金地火能放在桌子上，而海王星应该在门口外了。

不要嫌小哦～不然来看看这个：If the Moon Were Only 1 Pixel

打发时间必备神器。

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星系（群、团）级别的空旷

现在大家应该会有「银河系好像还挺空旷」的感觉。以此为基础咱们来感受一下「空旷」的宇宙（题主比较懒就直接搬运维基百科了，原作：Andrew Z. Colvin）：

银河系。其实这样子看一点也不觉得空旷对吧......




本星系群：




室女座超星系团（图中一点代表一个星系）：




本超星系团：




无语凝噎......




总体来说星系在宇宙的分布相对均匀，但在局部存在聚集现象，从而形成不少空洞[11]。这些空洞是如此之大[12]，不是我等人类的脑洞可以比拟的......

wason1

If the Moon Were Only 1 Pixel

心太乱

离太阳最近的恒星是比邻星，距离太阳系4.22光年。以光速每秒29.98万公里计，这个距离是：

4.22 * 365 * 24 * 60 * 60 * 29.98万 = 39.8万亿公里。

地球与太阳的平均距离约1.5亿公里，即一个天文单位。太阳与比邻星的距离约是26.5万个天文单位。

如果做一个模型，地球与太阳的距离是一米，比邻星就在265公里之外，约相当于相邻两省中心城市的距离。可以想象成，地球与太阳在一个小电话亭里过着小日子，另外一个恒星要在邻省才会出现，这中间基本没啥东西。但这个模型就太大了。

如果将太阳与比邻星放到一个200米长宽的大厅里隔着265米对角放着，那么地球离太阳就是1毫米。

在这个大厅里，人眼凑近了去看太阳，也看不到啥。太阳直径是日地距离的约百分之一，人从地球上望过去，会占据天空宽度的约百分之一，所以能看出形状。但在这个大厅里，太阳直径只有10微米，象极细小的灰尘，人眼基本看不见。最大的木星离太阳有5毫米，直径0.5微米，也看不见。但是，如果太阳这个灰尘发光了，那就会有一个点状光源可见，还是看不出形状。所以，我们看天上的星星，就象在这个大厅里看10微米的灰尘，发光的看不到形状，不发光的看不到。把地球与太阳模型都通上电发光，一毫米的距离我们还是能分辨，能够想象一下，265米外的比邻星离得多远。

三体人（注，参见刘慈欣大作《三体》）的飞船飞向太阳，百分之一的光速。在这个大厅里，13个小时后，我们会发现它移动了1毫米，一天不到2毫米，要400年才从那边爬过来。但这个运动速度还是可以察觉到的。过一年去看，三体舰队爬了三分之二米，对地球还是有威胁的感觉。

比邻星的三体人和太阳系的地球人，隔空喊打喊杀。三体人冲过来了，速度极慢，但能看出它的努力。这是银河系一个小角落的事情。银河系的直径是10万光年，相当于3万个大厅排着6000公里长。如果两个相邻恒星的模型要占一个大厅演戏，那银河系模型就得占整个地球演戏。这个戏演得非常得慢，400年两个邻居才杀过去打一架。

银河系边上不远处有或大或小的一些星系。如果把银河系理解成一个压扁的地球，那往边上望，会发现不远处的另一个扁球，二者中间也就能再放下两个扁地球。还有一些扁球在边上，都是差不多的距离。但这些边上的扁球都比扁地球要小得多，大的五分之一直径，小的就只二百分之一。所以，这些扁球叫“矮星系”。银河系拉上这些这些矮星系，组成一个团团，叫“银河系次群”，其中银河系明显地大。

银河系拉着一伙矮哥们，往外面看。边上有个差不多的大家伙，叫仙女星系，长得很象，直径大一倍。这个仙女星系和银河星系一样，也有些矮哥们围着，组成一个次群。银河系和仙女星系两个离着稍远，中间能放下20个银河系。如果把银行系当扁地球，仙女星系就在月亮那儿，只不过要近一些，直径也要大得多。一个“银河巨人”看仙女星系，感觉直径有10倍月亮那么大。当然，这得假设这个“银河巨人”非常巨大，日地距离只相当于他一根头发那么粗。实际仙女星系离着有220万光年这么远，银河巨人看到的东西是220万年前的，而地球人看的月亮是1秒钟以前的。看到月亮，人可能会明白地球是圆的。银河系什么样银河人在内部看不出来，是看到仙女星系的样子，才想象验证出来的。

银河系与仙女星系，两个大的，各拉了一些小的，约有50个大大小小的扁球，组成了一个“本星系群”。它的范围是1000万光年，大约100个银河系扁球并排。这些扁球自己在旋转、相互之间也有接近远离的动作。看趋势，银河系与仙女星系在靠近，30亿年以后可能会碰到一起变成一个星系，但这个动作非常的慢，也不一定。总的来说，这50个扁球是一个疏散的组合，扁球们没有向中心聚集的感觉。想象一个集装箱，里面50个玻璃球、乒乓球、网球，再加两大的篮球在那飘，这就是“本星系群”。

如果再拉远些看“本星系群”，会发现它只是一个更大的扁平结构中，处于边缘的一部分。这个扁平结构，又是50个左右的成员，直径1-2亿光年，超过10个“本星系群”这么宽，或者1000个银河这么宽。这个扁平结构叫“本超星系团”，它是有中心的，中心在“室女星系团”。可以想象成上面的集装箱，有50多个，在一块平地堆场上或内或外摆放，组成一个松散的圆盘。银河系在边上绕中心转，1000亿年转一圈。

再往上，其实就没了，就是“人类可观测宇宙”本身的。“本超星系团”已经1亿光年了，整个可观测宇宙也就200亿光年，往上确实就是宇宙本身了。人们把“可观测宇宙”取个名叫“总星系”，但其实它并没有明显的结构，没有明显的中心。如果可观测宇宙外面还有东西，那么总星系可能会出现一些结构特征。也可能没东西，宇宙就这么大。总星系200亿光年的半径，相当于20万个银河系的宽度。而且，总星系不是扁平结构，是往上下、左右、前后都有东西。

总星系里面有超过10亿个银河系这样的星系。如果“本超星系团”有2500个星系，那么总星系里有40万个这样的“超星系团”。如果银河星是一个直径4厘米的乒乓球那么大，那么宇宙半径就是10公里，也还是可以想象的，就看着地面想象一个顶天立地的大球就行了，还能看见大球的大部分。半径10公里大的球，装10亿个乒乓球，还是很容易的。如果均匀分布，相邻球之间的距离比较大，中间还能塞下200多个球。所以，星系离得应该比较远。但有些球相隔近些，中间只能塞下2-20个球，那么就是“次群”或者“星系群”，“超星系群”还有中心结构绕着转。