宇宙到底有多大（一）

斯隆数字巡天的观测天区J1004+4112。（图片来源：ESA/NASA/K.SHARON(TEL AVIV UNIV.)）/E. OFEK(CALTECH)

       在大爆炸后不久，宇宙曾经非常小，密度几乎无穷大——这真让人难以置信、也令人费解。不过，那是宇宙在138亿年前的模样。由于膨胀，那个曾经极小的宇宙如今已经变得巨大无比——而且每天仍在继续增大着。

       前后两代科幻电影都严重误导了公众对宇宙大小的看法。大家相信，科技的发展让我们无所不知。还有不少人相信，总有一天，我们能够在星系之间穿梭旅行。

       但是，科幻电影没能传达出来的东西还有很多。其中之一就是宇宙的广袤无垠。即使两个挨得最近的天体，它们的间距也大得惊人。对我们这些终其一生都在一颗行星上生活的生命体来说，银河系的大小、星系之间的距离都大得令人瞠目结舌。 我们不妨假设这样一个银河系模型，其中太阳就像一粒沙子那么大。这个模型可以帮助我们理解和感受一下那些距离尺度的巨大。 在这个模型中，银河系盘中的恒星（即沙粒）之间的距离约为6公里，而盘的直径是6万公里。现在，还有谁想在这些沙粒之间穿梭旅行吗？

       在过去几年，人们对宇宙大小的认识取得了巨大的进展。但就在不久以前，天文学们还对此不甚了解。甚至时至今日，我们仍然不知道宇宙的精确大小。

 

难以置信的膨胀
       大爆炸理论告诉我们，宇宙曾经非常小。我们知道，光或者信息的传播速度最快不超过光速（每秒30万公里）。我们确信宇宙的年龄是138亿年。我们还知道一光年约等于9万4千亿公里。在近140亿年里，初步估算，光应该沿径向传播了大约300亿光年的距离。

       但不要忘记，宇宙大爆炸与我们日常见到的爆炸不同。 随着爆炸而膨胀的不仅仅是物质，还有宇宙各处的时空。（这里说的时空是一个数学模型。它把时间和空间看做一个紧密交织的整体。）

       自从宇宙开始膨胀，随着时间的流逝，1厘米大小的“空间”膨胀成2厘米，并且如此不断膨胀下去。因此，如果把宇宙的膨胀也考虑进来，宇宙的半径就约为460多亿光年，直径大约是930亿光年。

       不过，这还需要一个重要的附带条件。这个直径指的是我们能够观测到的那部分宇宙的直径。广受宇宙学家支持的暴胀理论（如果它是正确的话）指出，可见的那部分宇宙与整个宇宙完全是两码事。一些宇宙学家提出，宇宙大的无边无际。不过，在此姑且把我们能够看到的那部分宇宙——也就是说那个直径约为930亿光年的宇宙——当做整个宇宙吧。

M74（图片来源：NASA / ESA / THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScl/AURA)-ESA/ HUBBLE COLLABORTION）

       彻底理解我们周围的环境、太阳系、太阳系在银河系中的位置、银河系本身等等，对于理解宇宙的演化至关重要。探索宇宙的大小也带来一大批有趣的天体，它们是天文学家的“量天尺”。

       人类测量宇宙大小的尝试可以一路追溯至古希腊的天文学家——萨摩斯岛的阿利斯塔克（Aristarchus，约公元前310年-公元前230年）。 他对日地和月地距离的计算修正了视差的概念。视差是一种利用邻近天体相对于远处背景天体的视位置移动来测量距离的技术。

       在阿利斯塔克之后，人们对宇宙大小的测量几乎没有什么进展，直到波兰天文学家尼古拉·哥白尼（公元1473年-公元1543年）提出日心说。在历史上最后一批最伟大的实测天文学家中，丹麦贵族第谷 ·布拉赫（公元1546年-公元1601年）首次用视差法测量彗星的距离。他对邻近天体的距离测量帮助人们建立起更接近现代的距离尺度观念。

从家门口开始
       在我们出发去探索无边无际的宇宙之前，不如暂停一下，先来感受一下太阳系（包括太阳和行星、物质遗迹、还有地球）的距离尺度。 为了帮助理解，不妨设想有这样一个缩小版太阳系：太阳位于其中一端，并用1厘米代表日地距离（简称AU）。为了更直观，你可以拿一张纸把它画下来。如果一张纸不够用，就再拿几张纸接着画，最后再把它们用胶带连接起来。好了，那就让我们开始吧。先在纸的一端写下太阳两个字，在离太阳1厘米远处标上地球，然后在离太阳0.4厘米和0.7厘米远分别标出水星和金星。在地球之外，距离太阳1.5厘米远处是火星，小行星带约在2.5厘米处，5厘米处是木星，9.5厘米处是土星，天王星和海王星分别位于19厘米和30厘米处。然后，我们在40厘米处写上冥王星。

       外太阳系区域里物质稀疏。距离太阳30至50厘米远处是柯伊伯带。你还可以在冥王星附近标出一些有意思的天体，比如在40厘米处写上冥王星的卫星妊神星，在45厘米处写上鸟神星，在60厘米处标上厄里斯 （这三位都是类似冥王星的矮行星）。最后在距离太阳50至100厘米处标上离散盘——那里零星散落着一些冰状小行星，可能因为其它行星的引力扰动而在怪异的轨道上运动。如此，我们就算大功告成了。 现在展现在你面前的是一幅1米宽的太阳系全景微缩图。

       以微缩图上的距离尺度为基准，再把图继续向外延伸100米就是奥托云的内边界——一个环绕太阳系边界的巨大物质晕，是2万亿颗彗星的家园。而奥托云的外边界则远在1000米之外。

       即使是宇航员，最远也只造访过月球，走过的距离才不过1个天文单位的389分之一而已。如果以微缩图的距离尺度衡量，那就是1厘米的389分之一——与人体内的红血球大小差不多。 如果把这个距离标在微缩图上，它将与地球几乎重叠在一起。

       而离我们最近的恒星比微缩图中的奥托云还要远得多。 银河系明亮的星盘中可能有4千亿颗恒星（盘直径约10万光年）里，还有1千亿个星系分散在浩瀚的宇宙中。

       下一次当你在星空下漫步时，抬头看看天空，细细思量一下宇宙的广袤无垠，你会不由得生出渺小和谦卑的感觉。

原文标题：How immense is the universe?

作者：David J. Eicher