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第36章 宇宙究竟有多大

中国最早且明确的宇宙无限学说是东汉秘书郎都萌记述其先师的思想而提出的宣夜说。这是一种完全不同的宇宙学说。在宇宙无限性的论证方面,三大宇宙结构学说的另两家——盖天说和浑天说都设置了一个天球的硬壳,让天体在不同的壳上运动,唯独宣夜说明确宣称宇宙无限,并在论证时第一次破除了天体的硬壳。这的确是一个大胆且难能可贵的革命,甚至在哥白尼的日心体系中仍保留了一个标志宇宙范围的硬壳。这种学说吸收了元气学说,以解释日月众星的自然运动。唐宋时期的柳宗元、张载等思想家对宣夜说加以发展并做了更好的论证。

从哲学的角度来看,人们认为宇宙是无始无终、无边无际的。不过,对这个深奥的概念凭我们目前的知识仍无法做更深入的探讨,还是留给哲学家们去研究吧。我们不妨把眼光缩小一些,讲一讲利用我们现有的科学技术所能了解和观测的宇宙到底有多大。

小说《西游记》中,孙悟空一个跟头翻到了天边,还见到了四根擎天柱。

那么,天有没有边际呢?

人类居住的地球大不大?够大了吧,光半径就有6371千米。可地球比起太阳,它仅是太阳的1/1300000。包括地球等八大行星、50多颗围绕着不同行星运转的卫星、数以万计的小行星、彗星、流星体以及行星际气体和尘埃物质在内的太阳系,其直径达120亿千米。

然而,如此庞大的天体系统——太阳系在银河系中只是极其微小的一部分,太阳也只是银河系中1000多亿颗恒星中的一个。这些恒星中有的比太阳大几十倍到几百倍。比如有的超巨星比太阳系的行星木星绕太阳运行的轨道还要大。可想而知,银河系该有多大了吧!银河系的直径有10万光年。

在我们的银河系之外,还有10亿多个类似银河的恒星系统,叫“河外星系”。几十个这样的星系聚在一起叫“星系群”;上百个聚集一起构成“星系团”;它们又都归于更巨大的太空集团——“星系集团”(又称超星系集团)。银河系所在的星系集团称为本星系集团,它的核心是室女座星系团。无数超星系集团组成更庞大的总星系。我们用现代最大的望远镜虽已能观测到远离我们100亿光年的天体,这仍未超出我们的总星系的范围。

我们这个总星系的边在哪里?至今仍未找到。近几年天文学家用最先进的天文望远镜又观测到一个距离我们大约200亿光年的天体,它是在我们的总星系之内,还是之外呢?我们的总星系之外是否还有其他总星系呢?

宇宙是没有边际的,或者说以我们目前的智慧,还无法认识到宇宙的边际。正如我们的祖先早在战国时期就指出的那样:天是个无限广袤的太虚世界。

美国学者认为它的直径至少是780亿光年。宇宙大爆炸之后残留的背景微波辐射中的波纹揭示了宇宙的大小这一令无数人关心的问题:宇宙两头相距至少有780亿光年。

美国蒙大拿州立大学物理学家耐勒·克尼斯领导的研究小组认为,他们的研究至少部分地回答了宇宙学一个最基本的问题:宇宙有多大?

直到现在,人们对宇宙尺寸的估算在“你看到有多大就是多大”到“无限”之间。总之,没有一个多数人认可的答案,而完全依靠偶然灵光闪现想出来的一个宇宙模型。克尼斯等人的研究至少确定了宇宙尺寸的下限,它没有排除宇宙无限大的可能。

根据《自然》杂志,有人认为宇宙像一个足球,直径600亿光年。其他一些理论则认为宇宙事实上没有那么大,但它自己缠绕着自己,所以很难确定边界。克尼斯在《自然》杂志上表示:“原则上,地球的光线环绕着宇宙跑。所以如果我们看到40亿年前地球的情况,也没必要大惊小怪。”

他的研究小组于是决定在宇宙中寻找地球早期的状况。但应该看哪里呢?答案是尽量远,这意味着他们需要使用WMAP探测器分析宇宙背景微波辐射。这可以探测到宇宙形成最初期(大爆炸之后379000年)产生的微波辐射。如果宇宙较小,同一来源的光线将可以从不同方向到达同一个位置。该研究小组计算认为,这将产生辐射的不规则性(热点和冷点)。然而研究小组没有发现背景微波辐射中的冷点和热点。克尼斯由此做出结论认为,宇宙比我们的设备所能观测到的范围要大,直径至少780亿光年。宇宙还可能更大,他希望通过进一步的研究WMPA结果,修正自己的计算,宇宙的最小尺寸可能增大到900亿光年。

另外,从最新的观测资料看,人们已观测到的离我们最远的星系是200亿光年。也就是说,如果有一束光以每秒30万千米的速度从该星系发出,那么要经过200亿光年才能到达地球。这200亿光年的距离便是我们今天所知道的宇宙的范围。再说得明确一些,我们今天所知道的宇宙范围,或者说大小,是一个以地球为中心,以200亿光年的距离为半径的球形空间。当然,地球并不真的是什么宇宙的中心。宇宙也未必是一个球体,只是限于我们目前的观测能力,我们只能了解到这一程度。