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宇宙到底有多大(一)

斯隆數(shù)字巡天的觀測(cè)天區(qū)J1004+4112。(圖片來源:ESA/NASA/K.SHARON(TEL AVIV UNIV.))/E. OFEK(CALTECH)


       在大爆炸后不久,宇宙曾經(jīng)非常小,密度幾乎無窮大——這真讓人難以置信、也令人費(fèi)解。不過,那是宇宙在138億年前的模樣。由于膨脹,那個(gè)曾經(jīng)極小的宇宙如今已經(jīng)變得巨大無比——而且每天仍在繼續(xù)增大著。

       前后兩代科幻電影都嚴(yán)重誤導(dǎo)了公眾對(duì)宇宙大小的看法。大家相信,科技的發(fā)展讓我們無所不知。還有不少人相信,總有一天,我們能夠在星系之間穿梭旅行。

       但是,科幻電影沒能傳達(dá)出來的東西還有很多。其中之一就是宇宙的廣袤無垠。即使兩個(gè)挨得最近的天體,它們的間距也大得驚人。對(duì)我們這些終其一生都在一顆行星上生活的生命體來說,銀河系的大小、星系之間的距離都大得令人瞠目結(jié)舌。 我們不妨假設(shè)這樣一個(gè)銀河系模型,其中太陽就像一粒沙子那么大。這個(gè)模型可以幫助我們理解和感受一下那些距離尺度的巨大。 在這個(gè)模型中,銀河系盤中的恒星(即沙粒)之間的距離約為6公里,而盤的直徑是6萬公里?,F(xiàn)在,還有誰想在這些沙粒之間穿梭旅行嗎?

       在過去幾年,人們對(duì)宇宙大小的認(rèn)識(shí)取得了巨大的進(jìn)展。但就在不久以前,天文學(xué)們還對(duì)此不甚了解。甚至?xí)r至今日,我們?nèi)匀徊恢烙钪娴木_大小。

 

難以置信的膨脹
       大爆炸理論告訴我們,宇宙曾經(jīng)非常小。我們知道,光或者信息的傳播速度最快不超過光速(每秒30萬公里)。我們確信宇宙的年齡是138億年。我們還知道一光年約等于9萬4千億公里。在近140億年里,初步估算,光應(yīng)該沿徑向傳播了大約300億光年的距離。

       但不要忘記,宇宙大爆炸與我們?nèi)粘R姷降谋ú煌?nbsp;隨著爆炸而膨脹的不僅僅是物質(zhì),還有宇宙各處的時(shí)空。(這里說的時(shí)空是一個(gè)數(shù)學(xué)模型。它把時(shí)間和空間看做一個(gè)緊密交織的整體。)

       自從宇宙開始膨脹,隨著時(shí)間的流逝,1厘米大小的“空間”膨脹成2厘米,并且如此不斷膨脹下去。因此,如果把宇宙的膨脹也考慮進(jìn)來,宇宙的半徑就約為460多億光年,直徑大約是930億光年。

       不過,這還需要一個(gè)重要的附帶條件。這個(gè)直徑指的是我們能夠觀測(cè)到的那部分宇宙的直徑。廣受宇宙學(xué)家支持的暴脹理論(如果它是正確的話)指出,可見的那部分宇宙與整個(gè)宇宙完全是兩碼事。一些宇宙學(xué)家提出,宇宙大的無邊無際。不過,在此姑且把我們能夠看到的那部分宇宙——也就是說那個(gè)直徑約為930億光年的宇宙——當(dāng)做整個(gè)宇宙吧。


M74(圖片來源:NASA / ESA / THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScl/AURA)-ESA/ HUBBLE COLLABORTION)


       徹底理解我們周圍的環(huán)境、太陽系、太陽系在銀河系中的位置、銀河系本身等等,對(duì)于理解宇宙的演化至關(guān)重要。探索宇宙的大小也帶來一大批有趣的天體,它們是天文學(xué)家的“量天尺”。

       人類測(cè)量宇宙大小的嘗試可以一路追溯至古希臘的天文學(xué)家——薩摩斯島的阿利斯塔克(Aristarchus,約公元前310年-公元前230年)。 他對(duì)日地和月地距離的計(jì)算修正了視差的概念。視差是一種利用鄰近天體相對(duì)于遠(yuǎn)處背景天體的視位置移動(dòng)來測(cè)量距離的技術(shù)。

       在阿利斯塔克之后,人們對(duì)宇宙大小的測(cè)量幾乎沒有什么進(jìn)展,直到波蘭天文學(xué)家尼古拉·哥白尼(公元1473年-公元1543年)提出日心說。在歷史上最后一批最偉大的實(shí)測(cè)天文學(xué)家中,丹麥貴族第谷 ·布拉赫(公元1546年-公元1601年)首次用視差法測(cè)量彗星的距離。他對(duì)鄰近天體的距離測(cè)量幫助人們建立起更接近現(xiàn)代的距離尺度觀念。


從家門口開始
       在我們出發(fā)去探索無邊無際的宇宙之前,不如暫停一下,先來感受一下太陽系(包括太陽和行星、物質(zhì)遺跡、還有地球)的距離尺度。 為了幫助理解,不妨設(shè)想有這樣一個(gè)縮小版太陽系:太陽位于其中一端,并用1厘米代表日地距離(簡(jiǎn)稱AU)。為了更直觀,你可以拿一張紙把它畫下來。如果一張紙不夠用,就再拿幾張紙接著畫,最后再把它們用膠帶連接起來。好了,那就讓我們開始吧。先在紙的一端寫下太陽兩個(gè)字,在離太陽1厘米遠(yuǎn)處標(biāo)上地球,然后在離太陽0.4厘米和0.7厘米遠(yuǎn)分別標(biāo)出水星和金星。在地球之外,距離太陽1.5厘米遠(yuǎn)處是火星,小行星帶約在2.5厘米處,5厘米處是木星,9.5厘米處是土星,天王星和海王星分別位于19厘米和30厘米處。然后,我們?cè)?0厘米處寫上冥王星。

       外太陽系區(qū)域里物質(zhì)稀疏。距離太陽30至50厘米遠(yuǎn)處是柯伊伯帶。你還可以在冥王星附近標(biāo)出一些有意思的天體,比如在40厘米處寫上冥王星的衛(wèi)星妊神星,在45厘米處寫上鳥神星,在60厘米處標(biāo)上厄里斯 (這三位都是類似冥王星的矮行星)。最后在距離太陽50至100厘米處標(biāo)上離散盤——那里零星散落著一些冰狀小行星,可能因?yàn)槠渌行堑囊_動(dòng)而在怪異的軌道上運(yùn)動(dòng)。如此,我們就算大功告成了。 現(xiàn)在展現(xiàn)在你面前的是一幅1米寬的太陽系全景微縮圖。

       以微縮圖上的距離尺度為基準(zhǔn),再把圖繼續(xù)向外延伸100米就是奧托云的內(nèi)邊界——一個(gè)環(huán)繞太陽系邊界的巨大物質(zhì)暈,是2萬億顆彗星的家園。而奧托云的外邊界則遠(yuǎn)在1000米之外。

       即使是宇航員,最遠(yuǎn)也只造訪過月球,走過的距離才不過1個(gè)天文單位的389分之一而已。如果以微縮圖的距離尺度衡量,那就是1厘米的389分之一——與人體內(nèi)的紅血球大小差不多。 如果把這個(gè)距離標(biāo)在微縮圖上,它將與地球幾乎重疊在一起。

       而離我們最近的恒星比微縮圖中的奧托云還要遠(yuǎn)得多。 銀河系明亮的星盤中可能有4千億顆恒星(盤直徑約10萬光年)里,還有1千億個(gè)星系分散在浩瀚的宇宙中。

       下一次當(dāng)你在星空下漫步時(shí),抬頭看看天空,細(xì)細(xì)思量一下宇宙的廣袤無垠,你會(huì)不由得生出渺小和謙卑的感覺。


原文標(biāo)題:How immense is the universe?

作者:David J. Eicher

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