宇宙到底有多大?

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

剛經歷過大爆炸的宇宙非常小，密度幾乎無窮大——這肯定令人難以置信。不過，那是宇宙在138億年前的模樣。由於膨脹，那個曾經極小的宇宙如今已經變得巨大無比——而且每天仍在繼續增大著。

前後兩代科幻電影都嚴重扭曲了公眾對宇宙大小的看法。人們普遍相信，科技非常有用，能讓我們理解所有的一切。不少人相信，總有一天，我們能夠在星系之間穿梭旅行。

但是，科幻電影沒能傳達出來的東西還有很多。其中一個就是宇宙的廣袤無垠。即便兩個靠得最近的天體，它們的間距也大得讓人瞠目結舌。對我們這些一生都在一顆行星上度過的生命來說，銀河系的大小、星系之間的距離都大得驚人。在銀河系裡，太陽就像一粒沙。即使如此，銀盤中恆星（沙粒）的間距約為6公里，而銀盤的直徑則是6萬公里。現在，有誰還想在這些沙粒之間往來穿梭嗎？

人們對宇宙大小的認識在過去幾年裡取得了巨大的進展。但就在不久以前，天文學們還對此不甚了解。時至今日，我們仍然不知道宇宙的精確大小。

難以置信的膨脹

大爆炸理論告訴我們，宇宙曾經非常小。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於9萬4千億公里。近140億年里，初步估計，光應該沿徑向傳播了約300億光年的距離。

但是請記住，宇宙的大爆炸與我們日常見到的爆炸不同。隨著爆炸，宇宙各處的時空也在向外膨脹。也就是說，不只是空間里的物質，就連空間本身也在膨脹。（這裡說的時空是一個數學模型。它把時間和空間看做一個緊密交織的整體。）

當宇宙開始膨脹，隨時間的流逝，1厘米大小的「空間」膨脹成2厘米，如此增長下去。因此，如果要最好地理解宇宙的大小，就要把它的膨脹也考慮在內。由此推算得到的宇宙半徑約為460多億光年，直徑大約是930億光年。

不過，這個結果還有一個重要的附帶條件。這個直徑指的是我們可以觀測的那部分宇宙的直徑。廣受宇宙學家支持的暴脹理論（如果正確的話）認為，可見的宇宙與整個宇宙是兩碼事。一些宇宙學家提出，宇宙是無窮無盡的。不過，我們在此還是只談論能夠看見的那部分宇宙吧。這個宇宙的直徑約是930億光年。

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

深入理解我們周圍的一切、太陽系、太陽系在銀河系裡的位置、銀河系本身等等，對於理解宇宙的演化至關重要。對宇宙大小的探索也帶來一大批有趣的天體，它們是天文學家的「量天尺」。

人類測量宇宙大小的嘗試可以追溯至古希臘的天文學家——薩摩斯島的阿利斯塔克（Aristarchus，約公元前310年至公元前230年）。他藉助太陽、月亮與地球之間的距離，修正了視差的概念。視差是一種利用鄰近天體相對於遠處背景天體的位置移動來測量距離的技術。

在阿利斯塔克之後，人們對宇宙大小的測量幾乎沒有什麼進展，直到波蘭天文學家尼古拉·哥白尼（公元1473年至公元1543年）提出日心說。在歷史上最後一批最偉大的實測天文學家中，丹麥貴族第谷 ·布拉赫（公元1546年至公元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代的距離尺度。

從家門口開始

讓我們先停一下，感受一下我們太陽系（包括太陽和其行星、物質遺迹、還有地球）的距離尺度。為了更好地想像鄰近的區域，不妨設想有這樣一個縮小版太陽系：太陽位於其中一端，日地距離（簡稱AU）用1厘米表示。實際上，為了更直觀，你可以拿一張紙，把這個尺度畫下來，再把幾張紙用膠帶連接起來。來吧，讓我們開始吧。先在一端標出太陽，然後在距離太陽1厘米遠處標上地球。水星和金星分別距離太陽0.4厘米和0.7厘米遠。在地球之外，火星在1.5厘米處，小行星帶約在2.5厘米處，5厘米遠處是木星，9.5厘米處是土星，天王星和海王星分別在19厘米和30厘米處。然後，我們可以在40厘米處標出冥王星。

外太陽系的物質稀疏。柯伊伯帶距離太陽30至50厘米遠。你還可以標上一些有意思的天體，比如在40厘米處標上冥王星的衛星妊神星，45厘米處是鳥神星，60厘米處是厄里斯。再在離太陽50至100厘米遠處標上離散盤（由稀稀疏疏的「高速」冰狀小行星構成）。然後我們就大功告成了。這樣，你就有了一副展幅1米左右的太陽系全景圖。

在這張全景圖的邊上繼續向外延伸100米是奧托星雲的內邊界——環繞太陽系邊緣的巨大物質暈，其中有2萬億顆彗星。而奧托雲的外邊界則遠在1000米之外。

即使是人類宇航員也只造訪過月球，走過的距離不過一個天文單位的389分之一。如果以我們的距離尺度衡量就是1厘米的389分之一——與人類的紅血球大小差不多。在我們畫的全景圖中，這個距離極其靠近地球，幾乎無法分辨。

而距離我們最近的恆星比全景圖中奧拓雲還要遠。然後，可能有4千億顆恆星散落在明亮的銀盤（盤直徑約10萬光年）里，還有1千億個星系分散在浩渺的宇宙中。

下次當你漫步在星空之下，不妨抬頭看看，細細思量一下宇宙的廣袤無垠，你會生出一種渺小、謙卑的感覺。

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