芥子须弥,宇宙究竟有多大?

作者: 何治宏

来源: 科学大院

发布日期: 2016-12-09

本文探讨了宇宙的膨胀及其对我们观测的影响,介绍了宇宙的结构和尺度,以及人类在宇宙中的渺小感受。

宇宙一直越来越大,它在均匀地向各个方向膨胀——想象一下,一根正在被拉长的皮筋(一维),或者正在吹胀的气球(二维),表面上任意两点在被拉长或吹胀的过程中互相都在分开。三维的空间以类似的方式膨胀,所以经过137亿年的演化,现在的宇宙有这么大了。

注意,这只是我们“看”上去宇宙的样子,事实上,在宇宙中别的地方看宇宙,能看到的物质差不多都一样,只是角度有些许改变罢了,就像中国的世界地图和澳大利亚的世界地图都以自己国家为中心,而世界的整体并没有变化一样。

不过宇宙还在继续膨胀,甚至加速膨胀,那么可观测宇宙会越来越广袤么?答案是会,当然会!但是,回到那个膨胀的气球那里:若一秒钟内气球的半径从1米吹胀到2米,那么AB间的弧长(π×半径)增长了3米,而AC只增长了1.5米——也就是说,在这个以1米每秒膨胀的气球上,A与C分开速度是1.5米每秒,AB两地之间分开的速度是AC的两倍——是3米每秒。

这也是人们发现宇宙在膨胀的原因,在宇宙中与我们距离越远的地方,同我们分开的速度就越快(这被称为哈勃定律“Hubble's law”)。由此,聪明的你一定想得到:距离到了一定程度,分开的速度就会超过光速——意味着我们永远看不到那儿了。

所以,距离我们超过620亿光年以外的地方,那儿的广袤就与人类无关了,因为那里我们永远看不到。宇宙已经很大,以我们人类的智慧,有些地方来不及看就再也看不到。

再想一想,如果宇宙就这样膨胀,而且是在均匀地膨胀,那么宇宙就是均匀的,如此一来,在这个巨大的宇宙中我们就只能体会到它的广袤,而不会有空旷的感受。但事实上,望远镜观测到的宇宙万物是疏密相间,其形各异的,这是为啥呢?

之所以有空旷的感受,是因为我们足够渺小呀。刚才说的宇宙,动辄就是数百亿光年的尺度,那要到什么程度,我们才能感到“宇宙是疏密相间”这样的对比,也就是说看到外界能感受到自身的渺小呢?

三亿光年——宇宙的空旷。观测表明,在大概3亿光年的尺度上,宇宙看上去是均匀的。在这里贴一张更直观的模拟的结果图,大家看这一整块图和它一步步的放大,大致能反映出宇宙的结构从均匀到空洞/丝状体/片状体/小结构......观测尺度越小,观测范围内的宇宙就越不均匀。

空旷中的拥挤——千万光年。银河之外,哈勃望远镜让我们看到了千亿个星系,它们不是均匀分散在宇宙之中,而是成百上千个星系抱作一团,尺度有数百万甚至千万光年。

十万光年——星系的尺度。从上空俯瞰,星系长这个样子,下图是与我们银河系类似的一个旋涡星系。从侧面看上去,它类似这个样子。所以你看,这些直径可以达到十万光年级别的旋涡星系,实际上就是一个薄薄的盘子。因此,作为“盘子”中的一员,在我们在地球上看到的银河就是一条带状。

十光年——星与星的距离。那些发光发亮的星星们之间平均下来都有10光年=632710au(注:1au≈1.5亿公里)的空隙!比如离我们较近的比邻星,4.2光年;还有在神话故事和电影小说里大放异彩的织女星。

文章的最后,让我们以萨根的一段话来结束:再看看那个光点,它就在这里。那是我们的家园,我们的一切。

你所爱的每一个人,你认识的每一个人,你听说过的每一个人,曾经有过的每一个人,都在它上面度过他们的一生。

我们的欢乐与痛苦聚集在一起,数以千计的自以为是的宗教、意识形态和经济学说,所有的猎人与强盗、英雄与懦夫、文明的缔造者与毁灭者、国王与农夫、年轻的情侣、母亲与父亲、满怀希望的孩子、发明家和探险家、德高望重的教师、腐败的政客、超级明星、最高领袖、人类历史上的每一个圣人与罪犯,都住在这里——在一粒悬浮在阳光中的微尘之上。

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