關(guān)於我們生活於其中的這個(gè)宇宙，《銀河系漫遊指南》一書的作者，英國(guó)著名劇作家道格拉斯·亞當(dāng)斯(Douglas Adams)曾經(jīng)寫道：它很大。的確。

想要瞭解宇宙究竟有多大，請(qǐng)你試著將一枚硬幣放在你的面前。假設(shè)這枚小小的硬幣就是我們的太陽，那麼另一顆代表距離太陽最近的恆星：比鄰星的硬幣就應(yīng)當(dāng)放在大約563公里之外。對(duì)於生活在多大，請(qǐng)你試著將一枚硬幣放在你的面前。假設(shè)這枚小小的硬幣就是我們的太陽，那麼另一顆代表距離太陽最近的恆星：比鄰星的硬幣就應(yīng)當(dāng)放在大約563公里之外。對(duì)於生活在中國(guó)的讀者而言，比如上海的讀者，這第二枚硬幣幾乎要擺放到山東或安徽省境內(nèi)，而對(duì)於一些小國(guó)的居民而言，這顆硬幣可能都已經(jīng)放到外國(guó)去了。

而這僅僅是太陽和距離它最近的一顆恆星而已。當(dāng)你試圖模擬更大範(fàn)圍內(nèi)的宇宙空間時(shí)，就會(huì)麻煩的多了。比方說，相對(duì)於你的那顆硬幣太陽，銀河系的直徑將是大約1200萬公里，這相當(dāng)於地月距離的30倍。正如你所看到的，宇宙的尺度是驚人的，幾乎沒有辦法用我們生活中所熟知的距離尺度加以衡量。

但這並不意味著人類丈量宇宙的夢(mèng)想是遙不可及的。天文學(xué)家在長(zhǎng)期的工作研究中已經(jīng)找到一些行之有效的方法去測(cè)量宇宙的尺度。以下我們將向你呈現(xiàn)有關(guān)的內(nèi)容：

1 宇宙的尺度

我們並非居於宇宙的中心，但是我們確實(shí)居於可觀測(cè)宇宙的中心，這是一個(gè)直徑約為930億光年的球體

這個(gè)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(shí)擁有某種邊界，也就是說如果你旅行的時(shí)間足夠長(zhǎng)，你最終將回到你出發(fā)的地方，就像在地球上那樣，類似在一個(gè)球體的表面旅行。

科學(xué)家們對(duì)於宇宙具體的形狀和大小數(shù)據(jù)存在分歧，但是至少對(duì)於一點(diǎn)他們可以進(jìn)行非常精確的計(jì)算，那就是我們可以看得多遠(yuǎn)。真空中的光速是一個(gè)定值，那麼由於宇宙自誕生以來大約為137億年，這是否就意味著我們最遠(yuǎn)只能看到137億光年遠(yuǎn)的地方呢?

答案是錯(cuò)誤的。有關(guān)這個(gè)宇宙的最奇特性質(zhì)之一便是：它是不斷膨脹的。並且這種膨脹幾乎可以以任何速度進(jìn)行——甚至超過光速。這就意味著我們所能觀測(cè)到的最遠(yuǎn)的天體事實(shí)上遠(yuǎn)比它們實(shí)際來的近。隨著時(shí)間流逝，由於宇宙的整體膨脹，所有的星系將離我們?cè)絹碓竭h(yuǎn)，直到最終留給我們一個(gè)一片空寂的空間。

奇異的是，這樣的結(jié)果是我們的觀測(cè)能力事實(shí)上被「強(qiáng)化」了，事實(shí)上我們所能觀察到最遙遠(yuǎn)的星系距離我們的距離達(dá)到了460億光年。我們並非居於宇宙的中心，但是我們確實(shí)居於可觀測(cè)宇宙的中心，這是一個(gè)直徑約為930億光年的球體。

2 充斥著星系

科學(xué)家們讓哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)天空中的一小塊區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的曝光——長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，盡可能地捕獲每一個(gè)闇弱的光點(diǎn)。文中上圖是局部的放大，完整的圖像是下面這幅圖，其中包含有1萬個(gè)星系，從局部放大圖中，你可以看到一些星系的細(xì)節(jié)。

當(dāng)你看著這些遙遠(yuǎn)的星系，你可能沒有意識(shí)到自己正在遙望遙遠(yuǎn)的過去，你所看到的這些星系都是它們?cè)?30億年前的樣子，那幾乎是時(shí)間的盡頭。如果你更喜歡空間的描述，那麼這些星系離開我們的距離是300億光年。

宇宙處於不斷的膨脹之中，但與此同時(shí)科學(xué)家們對(duì)於宇宙尺度的測(cè)量精度也在不斷提高。他們很快找到了一種絕佳的描述宇宙中遙遠(yuǎn)天體距離的方法。由於宇宙在膨脹，在宇宙中傳播的光線的波長(zhǎng)將被拉伸，就像橡皮筋被拉長(zhǎng)一樣。光是一種電磁波，對(duì)於它而言，波長(zhǎng)變長(zhǎng)意味著向波譜中的紅光波段靠近。於是天文學(xué)家們使用「紅移」一詞來描述天體的距離，簡(jiǎn)單的說，就是描述光束從天體發(fā)出之後在空間中經(jīng)歷了多大程度的膨脹拉伸。一個(gè)天體的距離越遠(yuǎn)，當(dāng)然它在傳播的過程中光波波長(zhǎng)被拉伸的幅度越大，光線也就越紅。

如果使用這種描述方法，那麼你可以說這些遙遠(yuǎn)的星系的距離大約是紅移值Z=7.9，天文學(xué)家們立刻就會(huì)明白你所說的距離尺度。

3 最遙遠(yuǎn)的天體

這張圖像中間部位那個(gè)不太顯眼的紅色模糊光點(diǎn)事實(shí)上是一個(gè)星系，這是人類迄今所觀測(cè)到的最遙遠(yuǎn)天體。美國(guó)宇航局哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝了這張美國(guó)宇航局哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝了這張照片，這一星系存在的時(shí)期距離宇宙大爆炸僅有4.8億年。

這一星系的紅移值約為10，這相當(dāng)於距離地球315億光年?？雌饋磉@一星系似乎非常孤單，在它的周圍沒有發(fā)現(xiàn)與它同時(shí)期的星系存在。這和大爆炸之後大約6.5億年時(shí)的情景形成鮮明對(duì)比，在那一時(shí)期，天文學(xué)家們已經(jīng)找到大約60個(gè)星系。這說明儘管這短短2億年對(duì)於宇宙而言僅僅是一眨眼的功夫，但是正是在這一短暫的時(shí)期內(nèi)，小型星系大量聚合形成了大型的星系。

但是這裡需要指出的是，天文學(xué)家們目前尚未能完全確認(rèn)這一天體的距離數(shù)值，這也就意味著其實(shí)際距離可能要比現(xiàn)在所認(rèn)為的更近。在美國(guó)宇航局的下一代詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空以替代哈勃望遠(yuǎn)鏡之前，科學(xué)家們都將不得不在數(shù)據(jù)不足的情況下進(jìn)行估算。

4 最遙遠(yuǎn)的距離

天文學(xué)家能夠觀測(cè)到的最遙遠(yuǎn)的光線名為「宇宙微波背景輻射」(CMB)。這是抵達(dá)地球的最古老的光子，它們幾乎誕生於宇宙大爆炸發(fā)生的時(shí)刻。在大爆炸發(fā)生後的短時(shí)間內(nèi)，宇宙非常小，因此相當(dāng)擁擠，物質(zhì)太過稠密，以至於光線無法長(zhǎng)距離傳播。

但在宇宙誕生之後大約38萬年之後，宇宙已經(jīng)變得足夠大，光線第一次可以自由地傳播。這時(shí)發(fā)出的光是我們今天所能觀測(cè)到的最古老的光線，是宇宙的第一縷曙光;它存在於宇宙的每一個(gè)方向，無論你把望遠(yuǎn)鏡指向哪個(gè)方向，都可以觀測(cè)到它的存在。宇宙微波背景輻射就像一堵牆，我們最遠(yuǎn)也只能看到牆這一側(cè)的風(fēng)景，但是卻絕無辦法穿牆而過。

那麼這些最初的宇宙之光怎麼變成微波了呢?這還是因?yàn)橛钪娴呐蛎?。隨著宇宙的膨脹，當(dāng)時(shí)發(fā)出的光波波長(zhǎng)被逐漸拉長(zhǎng)，經(jīng)歷如此久遠(yuǎn)的時(shí)間(137億年)，它們的波長(zhǎng)已經(jīng)被拉伸到了不可思議的程度。隨著宇宙膨脹冷卻，現(xiàn)在這一輻射的剩餘溫度大約僅有-270攝氏度，也就是著名的3K背景輻射。這種輻射的分佈顯示出驚人地各向同性，各處的差異小於10萬分之一。

而如果有朝一日人類終於能夠製造出高靈敏度的中微子探測(cè)器，那麼我們將終於可以突破宇宙微波背景輻射設(shè)置的那堵牆，而看到其背後中微子出現(xiàn)時(shí)的情景，即所謂的「宇宙中微子背景」。和光子不同，對(duì)中微子而言，一般意義上的物質(zhì)幾乎是透明的，它們可以輕而易舉地穿過地球，穿過太陽，甚至穿過整個(gè)宇宙。正是因?yàn)檫@一特徵，一旦我們能夠解碼中微子中攜帶的信息，我們將能回溯到宇宙大爆炸之後僅數(shù)秒時(shí)的情景。

5 星系蝴蝶圖

文學(xué)家們向宇宙張望，他們注意到宇宙中的星系分佈並非呈現(xiàn)隨機(jī)狀態(tài)，由於引力的作用，星系傾向於相互接近，從而形成規(guī)模巨大的聚合體，如星系團(tuán)，超星系團(tuán)，大尺度片狀結(jié)構(gòu)乃至所謂的巨壁。

天文學(xué)家們開始著手紀(jì)錄這些星系在三維空間中的位置，他們很快成功地製作出較近距離範(fàn)圍內(nèi)星系的三維分佈圖，這是一項(xiàng)令人驚歎的成就。大部分此類巡天觀察都將注意力集中在距離地球70億光年之內(nèi)的範(fàn)圍，但他們?cè)诖诉^程中也發(fā)現(xiàn)了許多類星體，這是宇宙中亮度驚人的奇特天體，來自早期宇宙，其距離可能是70億光年範(fàn)圍的4倍以上。

在全部這些努力中，斯隆數(shù)字巡天(SDSS)可能算是規(guī)模最大的一個(gè)。參與這一項(xiàng)目的天文學(xué)家們目前已經(jīng)基本完成對(duì)1/3天空的巡天觀察，並在此過程中記錄下超過5億個(gè)天體的精確位置信息。而本文中這裡所配得圖則來自另一項(xiàng)巡天計(jì)劃：6dF星系巡天，這是目前規(guī)模位居第三的巡天項(xiàng)目。這張圖像中之所以會(huì)缺失很多地方，是因?yàn)殂y河系的阻擋，很多天區(qū)我們都無法進(jìn)行觀測(cè)。

6 鄰近的超星系團(tuán)

在距離地球比較近的空間內(nèi)，天文學(xué)家們的瞭解相對(duì)而言就會(huì)多一些。我們現(xiàn)在知道在距離地球約10億光年的距離內(nèi)存在一個(gè)超星系團(tuán)的海洋。這些是被引力作用聚集在一起的大量成員星系。

我們的銀河系本身是室女座超星系團(tuán)的成員，這個(gè)超星系團(tuán)正位於這張圖像中中央位置。在這個(gè)巨大的超星系團(tuán)結(jié)構(gòu)中，我們的銀河系毫無特別之處，它只是位於一隅之地的普通成員星系而已。在這一宏偉結(jié)構(gòu)中佔(zhàn)據(jù)統(tǒng)治地位的是室女座星系團(tuán)，這是一個(gè)由超過1300個(gè)成員星系組成的龐大集團(tuán)，其直徑超過5400萬光年。

另一個(gè)超星系團(tuán)很值得關(guān)注，那就是後發(fā)座超星系團(tuán)，因?yàn)樗奈恢们『梦混侗狈骄薇?Northern Great Wall)的中心位置。北方巨壁是一個(gè)大到令人難以想像的巨型結(jié)構(gòu)，其直徑約有5億光年，寬度約3億光年。我們星系「附近」最大的超星系團(tuán)是時(shí)鐘座超星系團(tuán)，其直徑超過5億光年。

7 暗物質(zhì)和暗能量

這個(gè)宇宙另外一件令人吃驚的事實(shí)是：佔(zhàn)據(jù)宇宙大部分的成分我們卻完全看不到。暗物質(zhì)是一種神秘的存在，科學(xué)家們認(rèn)為它們遍佈宇宙各處，但是我們卻看不到也摸不著。它們和光以及任何種類的電磁波都不發(fā)生作用，而這正是人類賴以探測(cè)宇宙的基礎(chǔ)工具。不過它會(huì)產(chǎn)生引力，通過它對(duì)週遭空間施加的引力效應(yīng)，科學(xué)家們能夠感受到它們的存在。

是的，我們能夠感覺到暗物質(zhì)確實(shí)存在。比如我們所在的室女座超星系團(tuán)大約擁有10的15次方倍太陽質(zhì)量，但是整個(gè)超星系團(tuán)的光度卻僅有太陽的3萬億倍太陽光度。這就意味著室女座超星系團(tuán)的光度相比其質(zhì)量所應(yīng)當(dāng)擁有的光度小了約300倍。這樣的事實(shí)是難以解釋的，但是如果考慮到這其中遍佈大量擁有質(zhì)量但卻不發(fā)光的暗物質(zhì)，一切也就不奇怪了。

事實(shí)上，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，宇宙中的暗物質(zhì)含量是我們平常所見的普通物質(zhì)的5倍。但是暗物質(zhì)儘管強(qiáng)大，卻仍然不足以統(tǒng)治宇宙。真正支配著我們這個(gè)宇宙的力量來自另一種神秘物質(zhì)：暗能量。普通物質(zhì)和暗物質(zhì)有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是它們都擁有質(zhì)量，並向周圍空間施加引力影響，換句話說，它們的作用是讓物質(zhì)聚攏，讓宇宙減速膨脹甚至最終收縮。然而，當(dāng)科學(xué)家們觀測(cè)宇宙，試圖分辨出宇宙究竟是在減速膨脹還是在收縮時(shí)，他們驚駭?shù)匕l(fā)現(xiàn)事實(shí)完全出乎他們的預(yù)料——宇宙根本沒有收縮或減速，它正在加速膨脹!毫無疑問，存在一種未知的強(qiáng)大到異乎尋常的力量，它不但獨(dú)力抵抗了整個(gè)宇宙中所有普通物質(zhì)和暗物質(zhì)產(chǎn)生的引力作用，甚至還推動(dòng)整個(gè)宇宙加速膨脹。對(duì)於暗能量的發(fā)現(xiàn)最近剛剛被授予了今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但是儘管有了這樣的巨大進(jìn)展，科學(xué)家們對(duì)於究竟什麼是暗能量卻依舊毫無頭緒，一無所知。現(xiàn)在有關(guān)這一課題的理論幾乎就相當(dāng)於「虛位以待」，等待著未來出現(xiàn)一個(gè)更加完美的理論能摘取成功解釋暗能量本質(zhì)的桂冠。

8 宇宙之網(wǎng)

星系巡天的結(jié)果顯示我們的宇宙似乎顯示一種「泡沫網(wǎng)狀」結(jié)構(gòu)。幾乎所有的星系都分佈在狹窄的「纖維帶」上，而在它們的中間則是巨大的空洞，天文學(xué)上稱為「巨洞」。這些巨洞的體積巨大，有些直徑可達(dá)3億光年，其中幾乎空無一物。但是這樣說並不正確，因?yàn)閮嵐芪覀兛瓷先ツ茄e確實(shí)是什麼也沒有，但實(shí)際上這裡充斥著暗物質(zhì)。

這裡這張圖是一份計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，它顯示我們的宇宙呈現(xiàn)一種纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中分佈著節(jié)點(diǎn)，纖維帶和層。這種複雜結(jié)果的起源來自宇宙微波背景輻射中微小的漣漪，這是其中密度微小變化的體現(xiàn)。隨著宇宙膨脹，這些微小的高密度去逐漸吸引更多的物質(zhì)向其聚集，這種效應(yīng)持續(xù)上百億年，其結(jié)果是驚人的——它造就了我們今天所見的宇宙。

9 檢驗(yàn)宇宙模型

2005年，一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家小組試圖檢驗(yàn)現(xiàn)有的宇宙學(xué)理論是否正確。他們進(jìn)行了一項(xiàng)名為「千年運(yùn)行」的模擬計(jì)劃，在計(jì)算機(jī)中他們模擬100億個(gè)粒子在一個(gè)邊長(zhǎng)為20億光年的立方體空間中，按照我們現(xiàn)有的理論去作用於它們，是否能得到某種我們所預(yù)期的結(jié)果。

這項(xiàng)模擬實(shí)驗(yàn)中考慮了普通物質(zhì)，暗物質(zhì)和暗能量因素，成功地再現(xiàn)出宇宙從混沌逐漸顯現(xiàn)類似於我們今天所觀察到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。在模擬運(yùn)行的過程中，研究人員們目睹了宇宙中大質(zhì)量黑洞的出現(xiàn)，強(qiáng)大的類星體發(fā)出劇烈的輻射，模擬的結(jié)果中還出現(xiàn)了大約2000萬個(gè)星系。正如文中此處展示的那樣，研究人員們發(fā)現(xiàn)模擬的結(jié)果產(chǎn)生出一個(gè)和我們所觀察到的現(xiàn)實(shí)宇宙非常相似的狀態(tài)。(晨風(fēng))