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去探索,它的盡頭又在何處?除了望遠鏡可以捕捉到的星云和星系之外,還蘊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。現有理論認為,宇宙產生于約138億年前的一次大爆炸,因此有人認為,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,物理學家們已經反復證明,宇宙在加速膨脹。
這些疑問引導這人類開創了一系列偉大的新勘探項目,也孕育出一些驚人的技術,讓我們不僅可以窺探到宇宙中最遠的距離,還可以了解物質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處背景天體的視位置移動來測量距離的技術。
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展,直到波蘭天文學家尼古拉·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——當做整個宇宙吧。
探尋宇宙究竟有多大這個問題始于20世紀20年代,在100英寸高的胡克望遠鏡的幫助下,在美國加利福尼亞州的威爾遜山上,天文學家埃德溫-哈勃在其助手米爾特-哈馬森的協助下,分析了一些模糊天體的光線,就是我們后來熟知的星云,他們發現那些實際上是一些位于遙遠星空中的星系。
哈勃和哈馬森發現,大多數的星體都向遠處移動,距離地球越遠,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。目前天文學家用他們越來越大的望遠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。
自從宇宙大爆炸發生以來,宇宙究竟變得有多大了?這取決于它經歷的時間長度和膨脹速率。通過哈勃望遠鏡的精密測量得到的數據和其他工具的測量數據,得出了一致的結果,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,無論從哪個方向探測,哈勃望遠鏡能看到的最遠的星系遠在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。
世界上最快的飛機可以達到每小時11260千米的時速(2004年11月16日,美國航空航天局(NASA)的飛機最高速度紀錄是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年代聯邦德國和美國NASA聯合建造并發射的Helio-2衛星,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出的光線,將會沿著時空曲面在100億年后返回到它的出發點。也有宇宙學提出,存在多重宇宙等。總之,我們保持好奇心吧,讓這顆好奇心帶領我們去探尋宇宙的真相,找到人類在宇宙中的位置,甚至,找到人生的意義。