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天人地 2024-05-03 16:19
先问一个问题,你知道自己能看多远吗?不少人可能脱口而出:也就几公里远吧。
如果距离只有几公里,那说明你是平时前方,而且身体所处的水平还比较低。由于地球是球体,在水平的情况下确实看不远。
但如果你仰望天空,原先的几公里远,将立刻拓展到几十万公里乃至上百万公里,甚至最终达到数亿公里以上。
那宇宙到底有多大呢?到底是我们“望不到边”,还是宇宙其实没有边缘?





空间和时间的聚合


宇宙有多大,多数人会说有130亿光年,也有会给出400多亿甚至900亿以上的数字。先不去说数字的差距为何这么大,先来看宇宙的定义是怎么来的。
我国古人的天地观是天圆地方,天穹像一口锅倒扣在四四方方的大地上。


从大地到天空,这是空间方位上的不同。在古人的观念里,不管它有多大,都是东南西北的空间方位,这被叫做“宇”。我们经常听到一个词叫寰宇,就可以理解为全部的方位。
空间之大,让人永远探索不到的尽头。同样没有尽头的还有时间。古代是农耕社会,庄稼生长了一茬又一茬,树上的叶子生了落落了又生,如此循环往复同样给人的感觉是没有尽头的。
而永远没有尽头的时间,又被称之为“宙”。在墨子的天地观念中,他正是用宇宙来形容天地万物的。


千百年来,宇宙这个词随着人类技术的不断进步,它也从一个笼统的概念,变得越来越精确。
就像现在,我们听到宇宙这个词就会仰望天空,会想到太阳距离地球超过了1亿公里,会想起遥远的天河,它的大小直径达到了10万光年以上。
技术进步了,让人类逐渐知道了地球并非宇宙的全部,而仅仅是宇宙空间里的一分子。甚至和广袤无边的宇宙比起来,地球小到连一粒尘埃都不算不上。


地球的小让人猝不及防,而宇宙的大同样也是如此。从地心说到日心说,再到后来对宇宙的认知,人类包括科学家在内,对宇宙的了解不是突然冒出的某种全新的观点,而是从古至今,从错误到正确,通过渐进式的方式一点点获得的。
日心说的准确,就建立在地心说的错误上,但在过去,当不少人开始相信日心说以后,又认为太阳就是宇宙的全部。
现在把太阳这类天体叫做恒星,就是日心说兴盛起来后,人们认为恒星不会移动,而地球在绕着它运转。


直到后来技术进一步发展,人们才又意识到,太阳的存在并不是想象中的那样,至少它不是全部的宇宙。
因为科学家又看到并了解到了星系,并逐渐明白,整个银河系,就是无数个太阳这样的天体组成的星系。
认知发展到这一步,出现了一个很有意思的现象,当时的不少科学家认为,银河系就是宇宙的全部。


很快科学家就意识到这种观念又错了,通过新的计算方法以及实际的观测,人们明白像银河系这样的星系,在宇宙空间里极其普通,而且其数量更是多到数以千亿计。
直到此时科学家才又意识到,星系构成的这个庞大空间,才是宇宙全貌,至少是宇宙的一部分。
就目前的技术发展来看,人类对宇宙相对科学的认知,只是达到了星系这一层。
就是说各星系构成了宇宙空间的全部,当然根据星系大小的不同,又有大小子集的区分,但本质上这些都是星系的构成。


至少科学家相信,星系组合而成的全部,也就是宇宙的全部。又因为人类技术可计算观测到的最远星系,就在130亿光年左右的范围,所以可观测宇宙的大概范围,就是130亿光年左右,确切说是138亿。
但是请注意,从古代到现在的发展脉络看,人类对宇宙的认知一直是在错误中被不断突破的。所以你可以想象一下,现在我们对宇宙的认识,难道就是绝对准确的吗?
也许再过一个世纪,随着技术的再次进步和更新,人类对宇宙的理解,没准就又跟现在不一样了。


但不管是否再有颠覆性的观点出现,至少有一点是不变的,那就是人类对宇宙方位大小的了解,一直在扩大。



从地球尺度再到太阳和宇宙尺度


引力把我们束缚在地球之上,再加上几千年来,人类活动范围狭小,制定出来的距离尺度系统,很长一段时间里都很小,都没有跳出地球的范围,甚至没有跳出我们的身体范围。
比如我国传统的尺度中,一拃长,指的是张开大拇指到中指之间的距离,大约是20厘米。一庹长,指的是张开两臂后的最长距离,大约是166厘米。


这些尺度的标准,都是以人的身体为标准制定的。随着人类活动范围的扩大,尤其是到了现代社会后,才又制定出了一套通行于世界范围内的尺度系统。
这套尺度系统是常用的,不超出地球范围之外,或者说最大的尺度,就是以地球为标准的。最大的尺度公里,又叫千米,它代表的尺度范围,跟地球的大小契合。
随着人类的目光瞄向太阳系乃至银河系,在具体计算天体距离的时候,科学家们逐渐意识到,如果继续用地球上的尺度来衡量的话,那么在计算的时候就会相当麻烦。


比如地球到月球之间大约是38万公里,这段距离还能勉强用公里来表示。但如果将距离延伸到太阳,上亿公里的表述,光是读和写就异常的麻烦。
于是,科学家为了方便计算和读写,又设计出了更大的尺度单位。那么,用什么来作为参考标准呢?
其中一个标准,是地球到太阳之间的平均距离。这段平均距离用公里表述的话,就是1.496x10^8公里。将这段平均距离当成是一个标准,由此便有了“天文单位”新的计量尺度。


在天文学内,1天文单位或者几天文单位,通常就用来表述天体之间的距离了。
另一个标准,便是光速。光在真空环境下的传播速度,大约是30万公里,光在一年内传播的距离,就成了另一个天文学领域的时间尺度。如果将这个数值换算成公里的话,会发现它大到惊人。
然而,光年并非精彩单位的极限。对专业研究天文学的科学家来说,他们很快就发现,遥远的星系距离,还是远到离谱。


于是秒差距尺度单位又应运而生。1秒差距大约是3.2光年,大约是20.6万天文单位。
而在实际的计算应用中,又有千秒差距,或者是百万秒差距等标准尺度。也就是说,在实际的天体距离测量中,即使制定了新的更精彩标准,宇宙延伸的范围还是很远。
从原来的以身体为标准,再到以地球为标准,尺度单位变化的背后,是人类认识中的宇宙范围不断在扩大。同时,还有天体数量在增加。





宇宙内的星系有多少?


太阳这样的恒星系统,共同构成了银河系,而在整个银河系中,像太阳这样的恒星数量达到了惊人的数千亿颗。
这还远远不算多,因为银河系在星系的构成中,仅仅又是基础。类似银河系这样的星系,构成了星系群。星系群之上,还有超星系群、超星系团等尺度更大的星系规模。


那么,这些星系的数量究竟有多少呢?此前科学家的估算是,宇宙内有1000到2000亿个星系。
到2016年,诺丁汉大学的天文学家,通过多年研究又给出了新的估值,宇宙内的星系数量比原来的数值至少多10倍,即星系的数量可能有1万亿个到2万亿个。
因为科学家发现,多数星系要么遥远,要么暗淡,以至于人类现有的技术根本发现不了它们。但看不见,不代表这些星系不存在。


多数的星系,可能跟麦哲伦星云这样,是一种体量较小的卫星星系。而且科学家还发现,宇宙内至少90%的星系,都还没有被研究过。
也就是说,我们现在已知的宇宙范围已经够大了,但实际的宇宙范围,比科学家研究和计算的范围还要大。
所以宇宙的大,确实超出了人的想象,甚至超出了神的想象。





与天地同寿还比不过1光年的尺度


《西游记》中,吃一个蟠桃就能长生不老,而古人理解的长生不老,就是几千年乃至上万年,最长的年龄也无非是跟天地同寿。
在地球范围,这寿命已经够久远了。可如果放到宇宙空间里。神仙们活的一万年,还比不上1光年的尺度大。


因为神话中的一年时间,仅仅是地球上太阳东升西落的时间尺度。而光每秒传播的速度就达到了30万公里。
所以,假设把孙悟空和太上老君的距离拉开到10万光年远,他们两个神仙就是穷尽寿命,估计也走不到一起了。因为这距离太远了,远到他们都活不到那么长的时间。





结语


当年,旅行者1号距离地球60亿公里远的时候,照片中的地球就是一个小光点。
这么远的距离,已经超出人类的认知了,然而放在太阳系乃至整个银河系内,它走过的那段距离,短到可以忽略不计。


所以说,将人类放在地球上,我们似乎无所不能;将人类放在银河系乃至宇宙的尺度下,我们又什么都不是。


但幸运的是,人类自从诞生的那一刻,想象就是无穷尽的,距离再遥远,想象也能瞬间抵达。看来,宇宙的范围,或许就跟人类的想象一样,它突破了想象,但又和人的想象融合在了一起。

jjybzxw 2024-05-03 18:32

截至目前的科学共识,宇宙是没有明显边缘的。当我们谈论宇宙的“边缘”时,我们通常是指空间的边界,但在现代宇宙学的标准模型——ΛCDM模型中,宇宙是无边界的,在大 尺度上是均匀且各向同性的。

根据广义相对论,空间的几何可以是开放的、闭合的或者是平板的。目前的观测结果,特别是对宇宙微波背景辐射的测量,支持了一个开放或者平板的空间几何模型。这意味着宇宙可能不会有一个“边缘”,并且如果你朝着一个方向一直前进,你最终会回到起点,就像在一个球面上旅行一样,尽管在局部尺度上看,空间似乎是平坦的。

至于星系的数量,估计确实非常高。据估计,可观测的宇宙中可能包含的星系数量在100亿到2000亿之间,甚至可能更多。这些星系的分布在整个宇宙中是不均匀的,它们聚集在称为星系团和超星系团的结构中。尽管我们已经探测到了大量星系,但仍有很多星系等待发现,尤其是那些位于遥远宇宙角落的星系。

值得注意的是,我们对宇宙的认识仍然有限,尤其是在宇宙的早期历史以及宇宙的精确几何和演化方面。随着天文观测技术的进步和理论物理的进一步发展,我们对宇宙的理解将会不断完善,可能会对宇宙是否有边缘这个问题给出更加精确的答案。

让我们更详细地探讨一下宇宙的边界问题。

首先,我们需要区分可观测宇宙和整个宇宙的区别。可观测宇宙指的是从地球能够观测到的宇宙部分,其大小受到光速和宇宙年龄的限制。由于宇宙膨胀,远处的天体发出的光线需要时间才能到达我们,因此我们能够看到的最远距离是大约137亿光年,这就是可观测宇宙的大小。然而,这并不意味着宇宙的大小就是这么多,因为宇宙可能比我们能够看到的要大得多。

当我们讨论宇宙的边界时,我们通常是在讨论空间本身的边界。在经典的宇宙学模型中,比如弗里德曼模型,宇宙可以是有限的也可以是无限的,但这并不意味着宇宙有一个明确的“边缘”。在有限的宇宙中,如果你沿着一条直线足够远地前行,最终你会回到起点;而在无限的宇宙中,无论你朝哪个方向前进,你都不会遇到边界。

在ΛCDM模型中,宇宙被认为是平滑的、均匀的,并且在大 尺度上遵循所谓的宇宙学原理。这个原理认为,宇宙在大 尺度上没有中心,也没有边界。空间是自相似的,意味着无论你在哪里观察,宇宙看起来都是差不多的。这种观点是基于当前对宇宙微波背景辐射的观测,这是一种来自宇宙早期的辐射,几乎均匀地填充整个宇宙。

然而,宇宙的空间结构和它的命运仍然是活跃的研究领域。宇宙可能是开放的、封闭的,或者说是具有不同的拓扑结构。开放宇宙意味着空间是平的,而封闭宇宙则意味着空间是球形的。宇宙的拓扑结构会影响其长期的命运,比如是否会最终收缩或是永远膨胀。

在探讨宇宙边界的时候,我们也必须考虑到量子力学的影响。在量子场论和弦理论等领域的研究可能会提供关于宇宙更深层次的结构的知识,这些知识可能会改变我们对宇宙边界问题的理解。

总的来说,尽管我们对宇宙有了相当深入的了解,但宇宙的边界问题依然是一个复杂的课题,需要更多的观测和理论研究来解决。随着物理学和宇宙学的不断发展,我们对宇宙本质的理解将会继续深化。


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