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宇宙有多大?它为什么这么空?|泰安会考辅导班

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宇宙有多大?它为什么这么空?|泰安会考辅导班

发布日期:2019/1/26 16:19:07 点击:317

点金教育(http://www.dianjinjiaoyu.com)在一个晴朗的日子爬上山顶,你会为美景而惊叹。你将有机会一览连绵数千米的大好风光,除非那里有一家咖啡店。

这种体验肯定会让你印象深刻,因为早上喝咖啡的时候,你从家中窗户只能看到几米远的景色—除非你是拥有顶层豪宅的亿万富翁。或许你家跟旁边那栋楼近得不得了,邻居可以从你背后偷偷看到这本书泰安会考辅导班

然而,每晚仰望星空的时候,你会看到更为宏大的景象。你可以凝望几十亿千米外的深空。每一颗星星都像宇宙海洋中的一座小岛。仰望无边无际的天空时,你会看到无数会发光的小岛飘浮在空中的奇景。在这片广袤的星辰之海中,你所居住的地方只是地球这座小岛的一个角落,这样的景象或许会令你恍惚。

这种景象之所以能够出现,是因为宇宙大得令人难以置信,并且大部分地方都是空旷的(泰安会考辅导班)。

如果星星彼此靠得更近,夜空会变得更加明亮,人在夜里入睡也将变得更为困难。如果星星之间离得更远,夜空会暗得令人压抑,我们对宇宙其他地方的了解也会变少。

更糟的是,如果太空不那么“透明”,这样的美景将被笼罩在雾霭之中,我们甚至难以认清地球在宇宙的哪个地方。令人欣喜的是,太阳发射的光能够很好地穿透星际气体和尘埃,我们的眼睛也很擅长接收这种光,尽管红外线和波长更长的电磁波穿透力更强。

即使不是亿万富翁,我们也都是非常幸运的人,因为我们都能看到太空深处。但是看到并不意味了解。我们的祖先跟我们看到的景象相同,但他们得出了很多错误的结论。在史前时代,最富有的人也对身边的伟大知识一无所知;而今天,在望远镜和现代物理学的帮助之下,人们可以深入地探索太空,并了解人类在宇宙中的位置,知晓恒星与星系的分布。

但我们对宇宙的了解并不比古人多很多。已知的一切只会让我们提出更多问题:在我们看不到的地方有更多的星星吗?宇宙有多大?在那么远的地方我还能买到一杯还不错的拿铁咖啡吗?

在本章,我们要讲的是最大的主题:宇宙的大小和结构。

请坐稳,我们要出发了。

我们在宇宙中的位置

你正在地球上的某个地方读这本书,具体地点不重要。也许你正坐在沙发上逗弄宠物仓鼠,也许你正躺在阿鲁巴岛上的吊床里,也许你在某个咖啡店的厕所里。在宇宙的宏大尺度之下,这些细枝末节都变得无关紧要,哪怕你是个土豪,拥有自己的小型空间站。

我们地球和它的七个姐妹行星 绕着太阳转,太阳绕着银河系的中心旋转。我们的星系是一个巨大的盘状旋涡星系,明亮的中心延伸出几条旋臂。我们大约位于银河系其中一条旋臂的中间。我们的太阳是银河系中上千亿颗恒星中的一员,它既不是最古老的也不是最年轻的,既不是最大的也不是最小的。金发姑娘 觉得刚刚好。当你在夜晚仰望群星时,你看到的基本都是这条旋臂上的恒星,从宇宙尺度看,它们是我们的近邻。在晴朗的夜晚,如果远离光污染的话,你会看得足够远,可以看到星系盘的其他部分。它看起来像一条很宽的带子,其中密密麻麻地布满了恒星,好像泼在天空中的牛奶。你在夜空中看到的一切差不多都属于我们星系,因为它们最近、最明亮。

根据最新消息,宇宙的其他部分密布着其他星系,目前人们没有发现飘浮在星系之间的孤星。100年前,天文学家还以为恒星均匀地点缀在太空中。他们不知道恒星会聚集在一起形成星系,直到建造了威力足够强大的望远镜,人们才明白那些模糊的遥远天体究竟是什么。人们原本以为自己生活的星系就是整个宇宙,结果却发现它只是宇宙中可见的数十亿星系中的一员。这在当时一定是极为不凡的重大发现。在此之前,人们刚刚发现地球不是宇宙中唯一的行星,而我们的太阳也不过是众多恒星中的一颗。每一次这样的发现都会使我们前进一大步,但在宇宙的尺度上,我们的一大步不算什么泰安会考辅导班

最近,我们发现星系在宇宙中也不是均匀分布的。它们倾向于聚集在一起形成松散的星系群 和星系团,这些又组成了更大的超星系团,每个超星系团中都有数十个星系团。我们所在的超星系团的重量大约是太阳质量的1015倍。真够重的!

根据我们目前知道的情况,在超星系团的尺度之下,宇宙的结构层级分明:卫星绕着行星转,行星绕着恒星转,恒星绕着星系的中心转,星系绕着它们的星系团的中心转,星系团绕着超星系团的中心转。奇怪的是,事情到此为止了。超星系团不会再形成巨星系团、超巨星系团或超凡星系团,但它们做了更不可思议的事情:它们形成了横跨数亿光年却只有数千万光年厚的片状和纤维状结构。这些超星系团构成的片状结构极为巨大,它们弯曲形成不规则的球状和丝状结构,将空荡荡的宇宙巨洞包裹其中。那里没有超星系团也没有星系,不过说不定你会找到一些恒星、卫星或者超级富豪。

超星系团组织是宇宙中人们已知的最大结构。如果你继续放大视野,你会看到恒星—星系—星系团—超星系团—片状结构这一基本模式在其他地方反复出现,而不会看到更大规模的结构。接下来没有什么有趣而复杂的巨型结构了。那些片状结构就像随机散落在地板上的积木,均匀地遍布宇宙。为什么这种模式以这样的尺度为终结?超星系团片状结构形成的“泡泡”从何而来?为什么宇宙在这一层次上如此均匀?

有一件事情是显而易见的:在这样的尺度之下,我们微不足道。我们在宇宙中没有占据什么特殊的地位。我们住的地方不是什么核心地带,我们不是宇宙版曼哈顿的居民。 在拥有数十亿星系 ,每个星系有上千亿颗恒星的宇宙中,提到生命和智慧,我们也不一定有那么特殊。

它是怎么变成这样的?

我们的读者是兼具学问和颜值的人 ,所以你一定知道,我们在银河系中的位置就是这么一回事。但是这也引出了一个非常有趣的问题:为什么宇宙会有这样的结构?

以另一种形式存在的宇宙并不是很难想象的东西。为什么所有的恒星没有聚集在一起形成一个巨星系呢?为什么每个星系不是只有一颗恒星呢?星系为什么会存在?为什么宇宙中的恒星不能像老房子里悬浮的尘埃一样均匀分布?

说到底,宇宙为什么一定要有结构呢?宇宙似乎也可以一开始就是均匀和对称的,粒子在各个地方有着完全相同的密度。如果这些是真的,那么我们会得到一个什么样的宇宙?如果宇宙无限且光滑,那么每一个粒子在每个方向都会受到相同的引力,这意味着没有一个粒子会被迫向任何方向移动。所有粒子永远不会聚集在一起,而宇宙也是凝滞不动的。如果宇宙有限且光滑,那么每个粒子都将被吸引到一个共同的地方:宇宙质量的中心。

在每一种情况下,你都不会找到任何聚集在局部的团块或结构。宇宙要么是均匀的,要么聚集到一处。

关于宇宙如何变得结构遍生且不均匀,物理学家有一套不错的说法。理论上讲,早期宇宙中微小的量子涨落被时空的快速扩张(比如暴胀)拉伸成了无数巨大的褶皱,为恒星和星系在引力作用下的形成埋下种子,这一过程也受到了暗物质的助推,并且从某一时刻开始,暗能量将空间拉伸到更远的地方。

呼,让我喘口气。我们说了这是一套不错的说法,可没说它简单。

你看,为了使今天的宇宙有一定的结构,你需要它在年少时具有某种成团性。 一旦有了哪怕最微小的质量团块,一个局部的引力热点就出现了,它能将越来越多的原子拉到一起,并使它们远离所有其他原子的引力作用。

你可以想象一下,好几家星巴克咖啡店均匀地分布在一座城市里。每一位咖啡爱好者都能被最近的几家店吸引,但这些咖啡店和他的距离都差不多,所以他总是犹豫不决,不知道该去哪一家店。然而,如果某一家咖啡店通过冲泡过程中的一点小变化而制作出了更加香醇的咖啡,那么这一家店就会吸引更多的客人。客人多了,就会有更多咖啡店来到同一条街,这又吸引了更多的客人……这样的反馈环路会造成某种级联,很快就会有星巴克店开在其他的星巴克店中,促使星巴克奇点产生。如果没有最初的那个热点,这一切就无从开始。在星巴克诞生之前的早期宇宙,那个最早的“热点”对于今天的恒星和星系结构绝对是至关重要的。

那么,在宇宙的婴儿时期,是什么造成了第一个“热点”呢?我们所知道的讲得通的机制只有量子力学的随机性。

这不是猜想,而是已经被观测到的事实。你可以回想一下我们从宇宙微波背景中看到的宇宙婴儿时期的样子,它向我们展示了宇宙在从高热带电的离子态冷却为中性气态占主流的时刻。在那幅图像中,我们看到的宇宙是均匀的,但又不完全均匀。一些微小的涟漪体现了早期宇宙中的量子涨落。

在宇宙大爆炸中,暴胀极大地拉伸了空间,并将那些微小的涟漪放大成了时空构造中的巨大褶皱。接着,这些时空褶皱又产生了团块聚集和引力热点,并在之后发展出更复杂的结构。

总之,量子层面上的随机事件的空间被快速扩张放大了,这引发了我们今天所看到的一切。如果没有暴胀,宇宙看起来会很不一样。

物理学家怀疑,宇宙中之所以没有比超星系团的片状和球状结构更大的结构,是因为引力还没有足够的时间把那些大家伙拉到一起。事实上,今天宇宙中的某些部分直到最近才开始受到彼此的引力影响,因为引力作用同样受光速的限制。

未来又会如何呢?如果暗能量没有使宇宙不断扩张,那么引力将继续发挥聚集作用,由此形成更大的形状和结构。不过,暗能量的影响也不容小觑。宇宙中有两种相互竞争的作用:引力把事物聚集到一起,暗能量却要把它们拉开。在这一刻,两种作用似乎得到了完美的平衡,这意味着我们生活在一个完美的时代,所以我们见证了宇宙中这些庞大的结构。

事情真的是这样的吗?我们生活在宇宙的奥兹曼迪斯 时代只是一个巧合吗? 自以为特殊(比如地球是宇宙的中心)的想法应该让我们警惕,因为我们很有可能是在抚慰自己脆弱的自尊心。

据人类现在掌握的知识,我们似乎生活在一个特殊的时代。但事实是我们也不能确定这一点,因为我们不敢确定暗能量的未来。如果它继续将宇宙拉伸,那么星系和超星系团就不会有足够的时间聚集成更有趣的结构。但如果暗能量有所改变,那么引力就有机会把宇宙中的事物拉到一起,形成我们还没来得及命名的全新结构。50亿年后再来查看有没有更新吧!

引力和压力

无论如何,宇宙中之所以有结构,是因为量子涨落带来了最初的密度褶皱,后者又被暴胀放大,从而为我们当前宇宙的形成埋下了种子。但是,这些种子又如何长成了我们所看到的行星、恒星和星系?引力和压力之间的平衡是关键。

在宇宙大爆炸之后约40万年间,宇宙还是一个有着微小密度褶皱的炽热中性气团。引力就是在这个时候开始有所行动的。

这时每一样东西都是中性的—这非常重要。所有其他的作用力都在这一点上达到平衡。强核力使夸克结合成了质子和中子,电磁力将质子和电子拉到一起形成了中性的原子,但是引力既不能被平衡也不能被抵消。它还是非常耐心的:在漫长的亿万年间,这些褶皱吸引周围的气体,形成了越发致密的团块。

宇宙已经存在了很长时间。你可能想知道,为什么引力还没有将所有东西聚集成一个大团块,形成超大的恒星、巨大的黑洞,甚至巨型星系。事实是,宇宙中刚好有足够的物质和能量可以让引力将空间变“平”,空间不会弯曲到足够使所有事物重新聚集到一起。记住,暗能量在使空间扩张,所以最终的结果是,在大尺度上事物都在相互远离。

即使无法赢得这场拔河比赛,引力仍然取得了局部的胜利。在最初的密度褶皱中形成的气体和尘埃成为团块,只不过这些团块在整个宇宙中是分散的。

如果引力把这些气体和尘埃的团块拉到一起,那么会发生什么呢?这取决于这些团块有多大。

一小团物质的引力只能形成小行星、大岩石,或者星冰乐。这些东西之所以没有在引力的作用下坍缩成一个小点,是因为它们还有来自内部的压力。岩石中的原子不愿意挤得太紧,它们会“反抗”。你试过把岩石挤成一枚钻石吗?那可不容易。这些东西最终的状态是引力和压力之间达到平衡的结果。

质量更大的东西,比如像地球那么大的行星,其引力足够把中心的岩石和金属压缩成熔化的岩浆。地球中心滚烫的岩浆就是这么产生的。如果你想嘲笑引力不够强,不如先问问自己是否有能力把岩石榨成灼热的岩浆。

这就是我所想到的。

如果有一团足够大的物质,引力还可以通过炽热的离子态把这团物质变成一颗恒星。恒星从本质上说就是处于不断爆炸中的热核弹。唯一能使它们不散架的就是引力。引力也许弱小,但是可以把足够多的物质聚集到一起产生不断爆炸的核弹,并且使其维持数十亿年之久。这些恒星之所以没有立即坍缩成更致密的天体是因为其内部有压力。一旦燃料消耗殆尽,无法再提供对抗引力的压力,恒星就会坍缩成黑洞。

这种引力和压力之间的平衡存在于惰性岩石、中心为熔岩的行星,以及恰好能自我维持的核聚变动力恒星之中。这还能解释为什么恒星会聚集成星系而不是和黑洞随机散落在全宇宙。

记住,宇宙中的大部分质量不是用来形成行星、恒星和咖啡豆的那些物质。大约80%的质量(总能量的27%)是以暗物质的形式存在的。暗物质可能具有我们不太了解的作用,但我们可以肯定的是,它的质量对引力效应是有贡献的。但它没有电磁力和强核力,所以它也没有用来对抗引力的同一种压力。它会像普通物质那样聚集到一起,但是会持续地聚集下去,形成巨大的暗物质晕。在有暗物质晕形成的地方,普通物质会被强大的引力拉进去。事实上,目前人们认为是暗物质让宇宙更快地形成了早期的星系。在没有暗物质的宇宙中,最初的星系需要多花好几十亿年的时间才能形成。然而,我们现在看到的星系在宇宙大爆炸之后仅仅几亿年就形成了,这要感谢暗物质引力的无形之手。

星系也会被引力拉到一起,但它们有很多种不同的压力可以对抗引力,所以不会坍缩成巨大的黑洞。具体情况因星系而异。旋涡星系没有坍缩是因为它们旋转得非常快,角动量能够有效地使所有恒星保持距离。这也是暗物质没有坍缩成更稠密团块的原因。暗物质粒子的速度和角动量使得引力很难将它们拉到一起。

所以,我们看到的宇宙充满了由超星系团构成的巨大片状和球状结构,其中每个星系都有数千亿颗恒星在围绕着黑洞旋转,还有很多气体、尘埃和行星。至少一颗行星上居住着人类,我们正在仰望群星,并思考自己的存在。

但是这番景象会延伸到多远的地方呢?

这些巨大的片状和球状结构会永远延伸下去吗?或者,宇宙中所有的物质更像是虚无之中的孤岛或者大陆?

宇宙到底有多大?

宇宙的大小

如果我们能喝一杯八倍意式超浓缩咖啡并且以极快的速度飞过整个宇宙,那么我们会更清楚地知道物质在宇宙中是如何排布的,更重要的是,我们会知道宇宙能延伸到多远的地方。

遗憾的是,大多数咖啡店顶多提供四倍意式超浓缩咖啡 ,而且我们在宇宙中东奔西跑并到处拍照的速度有上限。这意味着在开发出曲速引擎(warp drive)之前,我们只能试着利用从辽阔的外部世界来到地球的信息回答这些问题。

来自外太空的光让我们看到了怪异而美丽的宇宙画面,但光只有138亿年的时间可以到达我们这里。这意味着在138亿光年之外,任何物体对于我们来说都是不可见的。可能有星系那么大的蓝色巨龙在我们的视线之外又蹦又跳、吞云吐雾,我们却不知道。当然,没有证据表明这样的龙存在,但是我们视野之外的东西又有多大可能跟我们身边的东西一样呢?自然的世界充满了古怪离奇和出人意料的东西,等着我们去发现。

可观测宇宙是非常大的。我们看不到外面有什么,但我们仍能想象它有多大。以下是几种可能。

A.因为没有什么能跑得比光速还快,所以可观测宇宙的半径一定是宇宙的年龄与光速的乘积,也就是138亿光年。

B.因为空间本身可以扩张得比光速快,所以我们可以看到原本在我们的视野之中后来又超越了我们视野的东西。因此,可观测宇宙的半径最大为465亿光年。

C.可观测宇宙是最偏远的两家星巴克咖啡店之间的距离,新的分店建成速度太快,科学家目前无从得知可观测宇宙的半径。

正确答案是B。因为空间在扩张,所以我们能看到那些曾经离我们比较近的东西。可观测宇宙要比光速乘宇宙的年龄大得多,这就是我们可以看到的宇宙。

好消息是,我们可以看到几十亿个星系里1021颗恒星中的1080~1090个粒子。另一个好消息是,可观测宇宙的半径在以每年至少1光年的速度增长,我们不用为这种增长做任何事。 我们要感谢数学的威力。按体积算,可观测宇宙的增长更加惊人,因为每年增长的空间都比上一年更大。你永远也不会有机会踏足的绝美星系已经多得让你无法理解了。

但事情并没有那么简单。宇宙万物都在远离我们,与此同时,空间本身也在扩张。有一些东西与我们的距离增加得太快,来自它们的光永远也无法到达我们这里。换句话说,可观测宇宙可能永远也无法追上真实的宇宙,这意味着我们可能永远也看不到宇宙中的一切。

坏消息是,我们不知道宇宙的确切范围。事实上,我们可能永远也不会知道这个。如果你想成为宇宙制图师,那这个消息就太糟糕了。

让我们猜一猜

宇宙有多大?让我们来猜一猜。

也许无限空间中存在有限宇宙

也许,宇宙的大小是有限的,只不过空间扩张使我们无法看到宇宙的边界。一些科学家研究了这种可能性,并试图通过听起来合理的假设估计宇宙的大小。以下是几个例子。

•在暴胀之前,宇宙的大小差不多等于光速乘以它存在的时间,因为空间还没有开始伸展。

•宇宙中的粒子数量是一个相当大的数字。

•没有人知道比1020更大的数字是个什么概念,所以你基本上可以随便猜一个数。

将这些假设与人们当前对于宇宙大爆炸和暗能量的了解相结合,你就能得到关于宇宙大小的一个估计值。

但这个估计值的具体数字可能多达1020个。如果这听起来依然是个悬而未决的问题,那就对了。如果有人说你的房子面积在2000平方米到1023平方米之间,那你立马就知道他在瞎猜。即使你相信宇宙中物质数量有限这一未经证实的假设,你仍然不知道宇宙有多大。

尽管存在这些不确定性,在某些情况下我们仍有可能计算出宇宙的大小。

也许有限空间中存在有限宇宙

如果宇宙的确是弯曲的,那么空间也许就像球体的表面,属于三维甚至更高的维度。在那种情况下,空间本身是有限的。它绕着自己转了个大圈,朝着一个方向前进并最终回到了出发的地方。这可能令人震惊,但我们至少能知道宇宙是有限的而不是无限的。

这样的情景让人头大。光在这样的宇宙中也会绕圈(这里假设这一圈足够小),甚至有可能不止一次地经过地球。这是我们有可能看到的现象!这意味着你会在天空中多次看到同样的天体—这个天体的光每绕一圈你就会看到它一次。 遗憾的是,科学家试图在星系结构和宇宙微波背景中找寻这样的效应,却没有发现任何证据。如果宇宙是有限的而且会绕圈,它一定是比我们能看到的部分要大。

也许宇宙是无限的

空间可能是无限的,它所容纳的物质和能量也是无限的。这是一个令人匪夷所思的可能,因为无限是一个奇怪的概念。这意味着宇宙中的各个角落正在发生一切可能发生的事情。一件事不管有多离奇,只要它发生的可能性不为零,它就能发生。在无限的宇宙中,有某个跟你非常像的人读着这本书印在波点帆布上的版本。在无限的宇宙中,有居住着蓝色巨龙的行星,每条龙的名字都是塞缪尔,它们总是搞不清楚谁是谁。这些听起来是不是很离奇?没错。但是在无限的宇宙中,任何可能发生的事都会发生。想知道某件事在无限的宇宙中会发生多少次,你只要用它发生的概率乘以无穷大就好。任何事,只要概率不为零,它就一定会发生—而且会发生无穷多次。也就是说,无限的宇宙中有无穷多住满了糊涂蓝巨龙的行星。怎么样,是不是脑洞大开?

但是无限宇宙中的景象与我们所看到的一切相符吗?无限宇宙也是通过大爆炸形成的吗?是的,只要你不再假设宇宙大爆炸是从一个点开始的。你可以想象一下,宇宙大爆炸同时发生在各个地方。这太烧脑了,但这恰恰与我们观察到的现象一致。在这样一个宇宙中,宇宙大爆炸会在各个地方同时发生。

以上哪一个才是真实的情况呢?我们不知道。

为什么宇宙这么空?

另一个关于宇宙结构的重要谜题是:为什么宇宙这么空?为什么恒星和星系之间会有这样的距离?

太阳系的宽度大约是90亿千米,离我们最近的恒星在大约40000亿千米远的地方。我们的银河系有大约10万光年宽,离我们最近的仙女座星系却在大约250万光年远的地方。

无论空间有多大,也无论它是什么形状,宇宙中都有足够的地方让各种东西离得更近一些。难不成某个宇宙家长故意让自己的孩子分开,防止它们在后座上争吵?

幸运的是,“空旷”只是角度问题,我们可以把这个问题划分为两个不同的问题。

1. 为什么我们不能比光速更快?

2. 为什么空间会因宇宙大爆炸膨胀至今?

光速是我们在宇宙中衡量远近的标尺。如果光速比现在快得多,那么我们就能看得更远、行进得更快,宇宙中的事物看起来也不会那么远了。如果光速比现在要慢,那我们就更不可能造访附近的星星或者是向它们发送短信了。

另一方面,我们也不能全怪光速。如果宇宙大爆炸没有让空间在一瞬间膨胀太多太多,那么今天的万事万物都将离得更近。如果暗能量没有把一切都推得越来越远,那么星际旅行的前景也不会每时每刻都变得更为暗淡。 我们可以想象一个适当膨胀的宇宙,那个宇宙不会像我们的宇宙一样大得离谱。

所以,宇宙的空旷要归因于两个量的作用,一个是决定了距离尺度的光速,另一个是把万事万物都拉得更远的空间膨胀。我们不知道它们为什么是现在这样,但如果你对它们做出了更改,你就将得到一个与我们的宇宙看起来截然不同的另一个宇宙。我们有这么多巨大的谜团,但只有一个宇宙可以研究,所以我们不知道这是不是宇宙组织的唯一方式。我们不知道别的宇宙会不会有非常小的膨胀,那里的人会不会比我们更加亲近彼此。

总结

当你一边品热咖啡一边仰望星空时,别忘了反思这个事实:我们关于宇宙大小和结构的所有知识都来自我们在地球上所能看到的情况。当然,我们已经向其他行星派出了探测器,也向太空发射了望远镜,甚至还把人送上了月球,但是从宇宙的角度来看,我们基本上只是在原地打转。我们对于宇宙的了解全部基于我们从宇宙的某个角落进行的观察和猜测。

处在这样一个普通的位置,我们已经回答了一些年代久远的问题(天上的星星是什么?它们为什么会移动?),也纠正了一些长期存在的错误观念(我们处在宇宙的中心)。

但是然后呢?我们的宇宙是有限的还是无限的?几十亿年后,宇宙的结构会发生什么变化?这些问题的答案将大大影响我们对宇宙和人类自身的看法。