宇宙究竟有多大?宇宙的外面會(huì)是什么?

物理獅子愛

優(yōu)質(zhì)解答

這個(gè)問題有兩層含義，一是宇宙的范圍有多大，二是宇宙的年齡有多大。這個(gè)問題所談?wù)摰氖强梢姷挠钪?，也就是以我們所在的地球?yàn)橐粋€(gè)球體，其半徑是自大爆炸以來，即宇宙作為一個(gè)點(diǎn)誕生，開始向外迅速膨脹以來光所通過的空間。

從整體上看，宇宙很可能比這個(gè)可見的宇宙大得多。就測定所能提供的東西來說，天文學(xué)家們顯然并不知道，至少不是確切地知道大爆炸是何時(shí)發(fā)生的。他們只是非?；\統(tǒng)地說，大爆炸可能發(fā)生在100億年前，也可能發(fā)生在200億年前，或者是發(fā)生在100億年前到200億年前之間的某個(gè)時(shí)刻。對我們常人來說，浩瀚無垠的宇宙幾乎是不可度量的。而對天文學(xué)家來說，精確地測繪宇宙天體不僅是必要的，而且也是可能的。

天文學(xué)采用的計(jì)量單位是“光年”，即光在一年里所走的距離。光的前進(jìn)速度約為每秒30萬公里，一光年大約是 9。7萬億公里。銀河系的直徑約為10萬光年。而在銀河系之外還有別的星系，距離我們有數(shù)十億光年。最新發(fā)現(xiàn)的類星體位于我們目前所能觀測到的宇宙邊緣，與地球相隔約100億～200億光年，是迄今所知的最遙遠(yuǎn)的天體。

如此遙遠(yuǎn)的距離簡直令人難以想象。要測量太陽系的其他行星或附近的恒星的距離，可以采用由古希臘人發(fā)明的視差計(jì)算法。所謂視差，是指從兩個(gè)觀察位置觀察同一物體時(shí)兩道視線所形成的夾角。在天文學(xué)中，測定視差的方法就是把兩個(gè)觀測點(diǎn)與被觀測的天體構(gòu)成一個(gè)三角形，已知兩個(gè)觀測點(diǎn)連線(即基線)的長度，再從這兩個(gè)觀測點(diǎn)測出天體的方位(即三角形的頂角)，就能求出天體與地球的距離?；€越長，求得的結(jié)果就越精確。

通常，在測量離地球較近的天體如月亮的距離時(shí)，可以用地球的半徑作基線，所測定的視差則稱為“周日視差”。如果要測定太陽系以外天體的距離，一般都以地球與太陽的距離為基線，所測定的視差稱為“周年視差”。用這種視差法測量相距8。6光年以內(nèi)的天體非常準(zhǔn)確，測量遠(yuǎn)至1000光年的天體也能做到大體準(zhǔn)確。

另一種測量恒星距離的方法是亮度測定法。一顆恒星可能因體積大、運(yùn)動(dòng)活躍或距離地球較近而顯得很光亮。只要分清星球的實(shí)際亮度和視覺亮度，就能從光亮度上準(zhǔn)確測出恒星與地球之間的距離。本世紀(jì)初，天文學(xué)家按波長區(qū)分星球光亮，制成了光譜。他們發(fā)現(xiàn)，不同的恒星有不同的光譜特性。用分光鏡研究恒星的光譜，就能判斷該星的冷熱程度。

這有助于天文學(xué)家辨別貌似暗淡的小星是否遙遠(yuǎn)的活躍的巨星。只要把一顆星的光與另一顆已知距離、活躍程度相似的星進(jìn)行比較，就能測量出這顆星與地球之間的距離。

80多年前，大多數(shù)天文學(xué)家都認(rèn)為銀河系就是整個(gè)宇宙，銀河系之外什么也沒有?？墒?，當(dāng)精確度更高的天文望遠(yuǎn)鏡誕生以后，這種看法便被證明是錯(cuò)誤的。過去觀測到的那些暗淡模糊的斑點(diǎn)，其實(shí)是其他的星系，有的與銀河系不相上下，有的則更龐大。

20世紀(jì)20年代，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃在加利福尼亞州的威爾遜山用當(dāng)時(shí)世界上最大的反射式望遠(yuǎn)鏡研究銀河系外星系，他分析了這些星系的光譜，發(fā)現(xiàn)各種譜線的波長都移向紅色一端。這種現(xiàn)象叫做紅移，說明那些星系正在向遠(yuǎn)處飛離。波長的改變是多普勒效應(yīng)的作用，與疾駛而去的汽車?yán)嚷曊{(diào)的變化同樣道理。由于宇宙在不斷膨脹，星系距我們越遠(yuǎn)，紅移就越大。換而言之，越遠(yuǎn)的星系，其飛離我們的速度也越快。哈勃據(jù)此提出了“哈勃定律”，確定了計(jì)算行星運(yùn)行速度的天文學(xué)計(jì)量單位——“哈勃常數(shù)”。

但是，用哈勃常數(shù)作為測量尺度存在一個(gè)問題，即無人知道它有多長。關(guān)于宇宙膨脹的速率，天文學(xué)家們的看法并不一致。最保守的估計(jì)是，距離增加百萬光年，則速度每秒鐘約增加16公里，即一個(gè)距我們5億光年的星系將以每秒約8047公里的速度遠(yuǎn)離地球。有些天文學(xué)家估計(jì)的速率比這個(gè)數(shù)字還要大一倍。

按照第一種估計(jì)，宇宙中最遙遠(yuǎn)的天體距離地球約有100億光年。而按第二種速率計(jì)算，則宇宙邊緣距離地球達(dá)200億光年之遙。

“哈勃常數(shù)”只能在太陽系以外的太空里測定。在那里，膨脹速度非常大，任何局部影響都變得微不足道。如果天文學(xué)家能夠找到一支“標(biāo)準(zhǔn)蠟燭”，即某個(gè)類星體，其亮度穩(wěn)定，非常明亮，橫跨半個(gè)宇宙都可以看到，那么這個(gè)問題便可迎刃而解。但是迄今為止，大家公認(rèn)可通用于整個(gè)宇宙的“標(biāo)準(zhǔn)蠟燭”尚未找到。

因此，天文學(xué)家運(yùn)用這一基本方法時(shí)往往采取一種分步方式，這就是設(shè)立一系列“標(biāo)準(zhǔn)蠟燭”，每一步只起測，定下一步的作用。近年來，3種不同的“標(biāo)準(zhǔn)蠟燭”，即近紅外線觀測造父變星、行星狀星云和麻省理工學(xué)院的約翰·托里的成片星系，都使人趨向于認(rèn)為宇宙很年輕，有110億～120億年。

但是，還不能說這便是標(biāo)準(zhǔn)答案，至少有另外3個(gè)天文學(xué)家小組得出了不同的結(jié)果。其中的一個(gè)小組是以哈佛大學(xué)天文學(xué)系主任羅伯特·柯什納為首，他們得出的結(jié)論是，宇宙并不是那么年輕，可能有150億年。