仰望夜空時人們不禁會問:宇宙究竟有多大?相信大家從小心頭就有這個疑問,宇宙,因其無邊無際的時空一直吸引著人們?nèi)ヌ剿鳎谋M頭又在何處?除了望遠(yuǎn)鏡可以捕捉到的星云和星系之外,還蘊(yùn)藏著什么我們所不知曉的奧秘呢?
如果要計算宇宙大小,光速是一個很好的指標(biāo)?,F(xiàn)有理論認(rèn)為,宇宙產(chǎn)生于約138億年前的一次大爆炸,因此有人認(rèn)為,可見宇宙半徑約為138億光年。但真實情況并非如此,因為在過去100年間,物理學(xué)家們已經(jīng)反復(fù)證明,宇宙在加速膨脹。
這些疑問引導(dǎo)這人類開創(chuàng)了一系列偉大的新勘探項目,也孕育出一些驚人的技術(shù),讓我們不僅可以窺探到宇宙中最遠(yuǎn)的距離,還可以了解物質(zhì)和能量在最小尺度的行為。隨著我們對原子核的深入研究,我們對這個微型世界的了解越來越多,這也使我們現(xiàn)在有能力去探尋一個古老問題的答案:宇宙究竟有多大?
人類測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)。 他對日地和月地距離的計算修正了視差的概念。視差是一種利用鄰近天體相對于遠(yuǎn)處背景天體的視位置移動來測量距離的技術(shù)。
在阿利斯塔克之后,人們對宇宙大小的測量幾乎沒有什么進(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測天文學(xué)家中,丹麥貴族第谷 ·布拉赫(公元1546年-公元1601年)首次用視差法測量彗星的距離。他對鄰近天體的距離測量幫助人們建立起更接近現(xiàn)代的距離尺度觀念。
自從宇宙開始膨脹,隨著時間的流逝,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920多億光年。
不過,這還需要一個重要的附帶條件。這個直徑指的是我們能夠觀測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——也就是說那個直徑約為930億光年的宇宙——當(dāng)做整個宇宙吧。
探尋宇宙究竟有多大這個問題始于20世紀(jì)20年代,在100英寸高的胡克望遠(yuǎn)鏡的幫助下,在美國加利福尼亞州的威爾遜山上,天文學(xué)家埃德溫-哈勃在其助手米爾特-哈馬森的協(xié)助下,分析了一些模糊天體的光線,就是我們后來熟知的星云,他們發(fā)現(xiàn)那些實際上是一些位于遙遠(yuǎn)星空中的星系。
哈勃和哈馬森發(fā)現(xiàn),大多數(shù)的星體都向遠(yuǎn)處移動,距離地球越遠(yuǎn),那些星球移動的就越快,這個原理如今被人們稱為“哈勃定律”,它表明在很久之前,所有的星系是一個整體。目前天文學(xué)家用他們越來越大的望遠(yuǎn)鏡看到的所有東西都可以追溯到同一個劇烈的開始,那就是宇宙大爆炸。
自從宇宙大爆炸發(fā)生以來,宇宙究竟變得有多大了?這取決于它經(jīng)歷的時間長度和膨脹速率。通過哈勃望遠(yuǎn)鏡的精密測量得到的數(shù)據(jù)和其他工具的測量數(shù)據(jù),得出了一致的結(jié)果,宇宙的起源可以追溯到137億年前!
在那個時期,一束光可以穿梭13.7光年,大約130萬億公里。但是以宇宙大爆炸理論為依據(jù),無論從哪個方向探測,哈勃望遠(yuǎn)鏡能看到的最遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)在460億光年之外,兩端則相距920億光年!
光年是長度單位,是計量光在宇宙真空中沿直線傳播了一年時間的距離的單位,一般被用于衡量天體間的時空距離,其字面意思是指光在宇宙真空中沿直線傳播了一年時間的距離,為9460730472580800米,是由時間和光速計算出來的。
世界上最快的飛機(jī)可以達(dá)到每小時11260千米的時速(2004年11月16日,美國航空航天局(NASA)的飛機(jī)最高速度紀(jì)錄是11260千米/小時)。依照這樣的速度,飛越1光年的距離需要用95848年。目前人造的最快物體是1970年代聯(lián)邦德國和美國NASA聯(lián)合建造并發(fā)射的Helio-2衛(wèi)星,最高速度為每秒70.22千米(即每小時252792千米),這樣的速度飛越1光年的距離約需要4000年的時間。理論上飛越一光年就是需要這么多年,星球之間動輒幾億光年,想想宇宙是有何其大了!
這個星球上沒有人知道宇宙究竟有多大。它或許是無限的,也或許它確實擁有某種邊界,也就是說如果你旅行的時間足夠長,你最終將回到你出發(fā)的地方,就像在地球上那樣,類似在一個球體的表面旅行。
宇宙始于何時,將止于何時?這是宇宙留給人們最大的秘密,也是最難解釋的難題。說實話,迄今為止我們還沒有檢測到宇宙的邊界,甚至有科學(xué)家提出,宇宙“無界而有限”,就是說他暗示沒有邊界的,就是在宇宙上任意一點上發(fā)出的光線,將會沿著時空曲面在100億年后返回到它的出發(fā)點。也有宇宙學(xué)提出,存在多重宇宙等。總之,我們保持好奇心吧,讓這顆好奇心帶領(lǐng)我們?nèi)ヌ綄び钪娴恼嫦?,找到人類在宇宙中的位置,甚至,找到人生的意義。