宇宙到底有多大？這是一個(gè)從古至今困擾人類的話題。人類對(duì)于宇宙的認(rèn)知，從一開(kāi)始僅限于天地的“天圓地方論”，到后來(lái)終于接受了地球是球體的事實(shí)?？杀M管如此，人類相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間認(rèn)為地球這顆的行星是整個(gè)宇宙的中心。直到后來(lái)的哥白尼理論，威廉·赫歇爾時(shí)代才讓天文學(xué)家的視野進(jìn)一步擴(kuò)展，漸漸開(kāi)始認(rèn)識(shí)到地球僅僅是蒼茫宇宙中微不可見(jiàn)的一小隅。

真正讓天文學(xué)家們了解到宇宙尺度級(jí)別的轉(zhuǎn)折，大概是因?yàn)樘煳耐h(yuǎn)鏡制造技術(shù)的極大發(fā)展，近些年尤以哈勃望遠(yuǎn)鏡為天文望遠(yuǎn)鏡中的明星產(chǎn)品。從此天文學(xué)家利用威力日益強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，不斷將宇宙的起源回溯至更久遠(yuǎn)的年代。而今年，也正巧是哈勃望遠(yuǎn)鏡升空30周年整了。

這些照片僅僅是哈勃所帶給我們驚喜的冰山一角，在天文研究的眾多領(lǐng)域里，哈勃把人類的知識(shí)極限推向了新的高峰，這是哈勃升空之前，人類遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能到達(dá)的領(lǐng)域。比如說(shuō)哈勃深場(chǎng)，哈勃超深場(chǎng)，哈勃極深場(chǎng)。這些名詞，不管你是不是一個(gè)天文愛(ài)好者，很大概率都會(huì)在天文科普乃至影視作品中有所耳聞。那么，讓人疑惑的地方是，到底什么是深場(chǎng)，超深場(chǎng)、極深場(chǎng)又有多“深”呢？其實(shí)，三者說(shuō)的都是宇宙的尺度有多大，存在一個(gè)遞進(jìn)的關(guān)系。而我們今天來(lái)了解的，是大爆炸理論與哈勃之間的聯(lián)系。

宇宙膨脹理論：宇宙正在不斷膨脹

• 最初的嘗試

所有存在的物質(zhì)，包括我們的身體、空氣，乃至巨大的行星、恒星、廣闊的星系一起構(gòu)成了宇宙。即使是我們賴以生存的太陽(yáng)系，也一直在變化著，并且這種變化非常顯著。可是，整個(gè)宇宙太大了，它的變化反而顯得極為細(xì)微，可又的確正在發(fā)生著。

1625年，愛(ài)爾蘭人詹姆斯·厄歇爾成為阿爾馬的大主教，他猜測(cè)地球始于公元前4004年10月的一個(gè)早晨。當(dāng)然啦，這位大主教先生不是天文學(xué)家，他根據(jù)《圣經(jīng)》的資料，計(jì)算出的結(jié)果自然是錯(cuò)得離譜，差了足足100萬(wàn)倍。但是這并非毫無(wú)意義，這是人類開(kāi)始嘗試追溯宇宙源頭的一次嘗試。

盡管這是一次失敗的嘗試，天文學(xué)家們很快就迎來(lái)了極大的進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)地球巖層的放射性物質(zhì)與太陽(yáng)系其他系統(tǒng)并無(wú)兩樣，由此推算，才有了今天的地球已經(jīng)存在了46億年的說(shuō)法。

• 大爆炸理論的提出

天文學(xué)家們很快發(fā)現(xiàn)宇宙的年齡比起地球尤有甚之，差不多達(dá)到了130億~140億年。并且，天文學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)所有的星系似乎都在遠(yuǎn)離我們，仿佛整個(gè)宇宙都是在膨脹的，于是也因此有了大爆炸理論。通過(guò)對(duì)目前這種膨脹速度的測(cè)算，天文學(xué)家已經(jīng)大概能確認(rèn)大爆炸發(fā)生于宇宙形成之初，也就是大約138億年之前。

至于小說(shuō)和影視作品中喜歡提到的“時(shí)空”說(shuō)法，無(wú)非是時(shí)間與空間。空間相對(duì)好理解，而時(shí)間本身卻是從大爆炸開(kāi)始才開(kāi)始計(jì)量的。至于大爆炸之前發(fā)生了什么，誰(shuí)又知道呢？只能是不同學(xué)者的各抒己見(jiàn)罷了。

• 大爆炸之后

大爆炸后，按照時(shí)間，可粗略地分為四個(gè)階段：

1.普朗克時(shí)間的極短時(shí)期：普朗克時(shí)間的極短時(shí)期，僅有10^-43秒，在那個(gè)時(shí)間段里，盡管已經(jīng)發(fā)生了大爆炸，可是仍然不會(huì)有時(shí)間與空間，因?yàn)?strong>時(shí)空本身以及一切物理定律都還在形成中，不過(guò)在短暫地度過(guò)了這一瞬間之后，宇宙的時(shí)空形成，也開(kāi)始遵循我們所知曉的物理定律。并且在兩個(gè)階段之間的某個(gè)瞬間，宇宙的溫度可高達(dá)10^27開(kāi)，第一批粒子，包括電子形成。

2.百萬(wàn)分之一秒：在這個(gè)時(shí)期，中子和質(zhì)子開(kāi)始形成，此時(shí)的溫度已經(jīng)降到了只有10億開(kāi)，質(zhì)子和中子開(kāi)始結(jié)合，形成氘核（重核）和氦。也正是因?yàn)檫@個(gè)短暫的時(shí)期，宇宙中的氫氦比例也因此固定。

3.接下來(lái)的30萬(wàn)年：宇宙漸漸安靜下來(lái)，膨脹冷卻，可本質(zhì)上宇宙還是那個(gè)年輕而狂躁的宇宙，各種原子核散落于電子海洋，宇宙迷霧重重，輻射尚來(lái)不及傳播多遠(yuǎn)就被粒子散射改變方向。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期宇宙中的情景，大概就是霧中所透出光線的朦朧感，倒也頗有幾分詩(shī)意的感覺(jué)。

4.30萬(wàn)年以后：溫度下降了，僅有3000攝氏度，原子核和電子開(kāi)始結(jié)合，第一代氫氦原子形成。與此同時(shí)，各種粒子大量減少，“迷霧”消散，輻射幾乎不再受影響了，宇宙這才變得“透明”。

宇宙的的尺度有多大？

宇宙膨脹了這么久，我們只知道宇宙一定已經(jīng)很大了，可實(shí)際上具體是多大呢？宇宙的大小又可以用什么樣的單位去衡量呢？其實(shí)，根據(jù)原子，我們可以推算出宇宙的尺度。

在初中物理，我們就知道原子很小，是組成物質(zhì)的單位。在宇宙中，最小的物體是原子中的粒子，它是一切正常物質(zhì)的基本構(gòu)成。原子直徑大約10^-10米。也就是說(shuō)，在一米的范圍中，原子們可以手拉手，并排站100億個(gè)。而電子圍繞原子核不停地高速運(yùn)動(dòng)，大小僅有10^-15米。

我們將這些微觀世界例子放大10億倍來(lái)看，才能與我們的日常生活相匹配，通常用英寸、英尺、碼、厘米、米作為單位來(lái)描述長(zhǎng)度。地球本身也是會(huì)發(fā)熱的，其發(fā)熱直徑比本身還要再大幾百萬(wàn)倍，大約10^7米。比地球尺寸再大10億倍，才能讓我們超越行星的范疇，位于離太陽(yáng)最近恒星四分之一的路途上。

四分之一是怎么回事呢？我們經(jīng)常聽(tīng)到描述宇宙用光年的計(jì)量單位，1光年等于10^13千米，正好是剛剛所說(shuō)的四分之一。把這個(gè)距離乘10萬(wàn)，就得到了更大一級(jí)天體的尺寸，對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，那就是銀河系；再乘50，就得到了銀河系所在超星系團(tuán)的尺寸；再擴(kuò)大200倍，差不多到達(dá)了100億光年，接近宇宙的大小了。

從微觀粒子到宇宙邊緣，換句話說(shuō)，宇宙是最小粒子的10^42倍。

哈勃深場(chǎng)、超深場(chǎng)、極深場(chǎng)：天文界的考古學(xué)

• 一次力排眾議的勇敢嘗試

1995年圣誕節(jié)，哈勃揭開(kāi)了被稱為“天文考古學(xué)”研究的新紀(jì)元。1995年底，一群天文學(xué)家做出一個(gè)大膽創(chuàng)新的嘗試，他們把世界上最精密的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，首次連續(xù)十天指向一個(gè)區(qū)域。

我們聽(tīng)起來(lái)可能不算什么，可是要知道，哈勃的使用壽命并非無(wú)限制的。哈勃最初的使用年限被定為了15年，作為如此昂貴的一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡，每天的成本都相當(dāng)于一筆巨大的開(kāi)銷。因此，連續(xù)十天觀測(cè)一個(gè)看似啥也沒(méi)有的“空區(qū)域”，自然遭到了許多天文學(xué)家的質(zhì)疑。當(dāng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)首次提出的時(shí)候，沒(méi)有人真正知道這是否會(huì)帶來(lái)任何有意思的科學(xué)結(jié)果。

當(dāng)天文學(xué)家細(xì)看首張照片時(shí)，都被它驚呆了！僅照片中的一個(gè)細(xì)小區(qū)域里，就有超過(guò)3000多個(gè)星系，這也就是我們之前所提到的哈勃深場(chǎng)，遠(yuǎn)達(dá)120億光年。在首張深空區(qū)中所見(jiàn)的上千個(gè)星系，位于演化的不同階段，它們就像是串聯(lián)起一條綿延數(shù)十億光年的長(zhǎng)廊。通過(guò)瞥視處于不同時(shí)期的星系，我們就能夠研究它們?cè)跁r(shí)間洪流中的演化。

• 進(jìn)一步觀測(cè)

當(dāng)首張深場(chǎng)照片完成后，另一張長(zhǎng)時(shí)間曝光的深空區(qū)就選址在南天就行拍攝，結(jié)合哈勃北深場(chǎng)及哈勃南深場(chǎng)，它們共同構(gòu)成了天文學(xué)家們窺視宇宙初期演化的窗口。

這兩張哈勃深場(chǎng)在現(xiàn)代天文學(xué)界掀起了一次翻天覆地的革命。當(dāng)首次深空區(qū)觀測(cè)進(jìn)行之后，幾乎所有的地面以及太空望遠(yuǎn)鏡都開(kāi)始觀測(cè)哈勃所觀測(cè)的同一片區(qū)域進(jìn)行不同角度全方位觀察。由多種不同大小、位于不同環(huán)境、對(duì)不同波段有不同靈敏度的儀器共同協(xié)作，往往能得到一些有意義的天文成果:

1. 不同時(shí)期恒星的誕生率
2. 恒星誕生的特征
3. 類行星盛行的時(shí)期

人類最值得稱贊的品質(zhì)之一就是永不停止的探索精神。既然天文學(xué)家開(kāi)啟了一道前所未見(jiàn)的宇宙深空大門，他們就不會(huì)停下腳步，并且試圖將觀測(cè)的極限推到更早的時(shí)代。2003-2004年，哈伯得出了哈勃超深場(chǎng)；2014年，哈勃又更新了哈勃極深場(chǎng)，觀測(cè)距離高達(dá)132億光年。

• 哈勃望遠(yuǎn)鏡可以回溯時(shí)間

宇宙的尺度，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，是以宇宙誕生的時(shí)間和空間來(lái)丈量的，也正因?yàn)橛钪娴牟煌Ｅ蛎?，才有了宇宙深?chǎng)這個(gè)說(shuō)法。而哈勃望遠(yuǎn)鏡所拍攝的最具有天文學(xué)意義的圖像就是哈勃極深場(chǎng)(HUDF)。哈勃極深場(chǎng)，意味著可見(jiàn)光宇宙的最深入探測(cè)，包含了很多極其暗弱以至于無(wú)法用地基望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的星系。凝視這些圖像，我們其實(shí)就是在追溯時(shí)間。正如玄幻小說(shuō)中常常有時(shí)間追溯的說(shuō)法，看似腦洞大開(kāi)，卻也確實(shí)有些科學(xué)道理，所謂時(shí)間追溯，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是對(duì)光的追溯。

• 深場(chǎng)觀測(cè)區(qū)域有多大

HUDF瞄準(zhǔn)的是天爐座一片極小的天區(qū)，只有滿月大小的五十分之一?？赡苓@樣的說(shuō)法有些難以理解，我們不妨這樣想，對(duì)于HUDF來(lái)說(shuō)，差不多就相當(dāng)于透過(guò)一根直徑2.4米的吸管望向宇宙深處。也多虧了哈勃望遠(yuǎn)鏡高高處于大氣層之上，倘若是尋常的地標(biāo)望遠(yuǎn)鏡，看相同一片區(qū)域，也只能發(fā)現(xiàn)空無(wú)一物。

盡管感覺(jué)上看到的區(qū)域很小，但正是這“小小”的區(qū)域，包含了足足有10000個(gè)形態(tài)、大小、顏色各異的星系。既有漩渦星系和橢圓星系，也有奇怪形狀的許多不規(guī)則星系，甚至其中的一些正在發(fā)生相互作用。極深場(chǎng)內(nèi)的星空，因?yàn)楦贻p，所以遠(yuǎn)比我們所處的秩序井然的星系要混亂得多。

其實(shí)早在《列子》中的《天瑞篇》就曾對(duì)混沌一詞有過(guò)解釋：氣形質(zhì)具而未相離，故曰渾淪。渾淪者，言萬(wàn)物相渾淪而未相離也。盡管科學(xué)發(fā)展至今，人類可以登上宇宙，探索星空，卻也不得不佩服古人對(duì)天文的許多超前的智慧看法。

人類真的能將觀測(cè)視野延伸到宇宙邊緣嗎？

盡管哈勃極深場(chǎng)已經(jīng)將觀測(cè)視野延伸到了132億光年，可是距離宇宙的邊界也仍然有著不小的差距。有這樣的說(shuō)法：宇宙的起源大約138億光年，可事實(shí)真就如此嗎，誰(shuí)也說(shuō)不準(zhǔn)。

不過(guò)讓人欣喜的是2016年，天文學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了新的最遠(yuǎn)星系：GN-z11，這個(gè)不規(guī)則星系與我們的距離高達(dá)144億光年。它大約誕生于宇宙誕生后的4.2億年，可以說(shuō)，它是名副其實(shí)的“與天同壽”了！

哈勃望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到越來(lái)越遠(yuǎn)的遙遠(yuǎn)天體，這意味著人類越來(lái)越接近大爆炸發(fā)生的時(shí)間。但是僅憑哈勃望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該是沒(méi)有可能將觀測(cè)視野推進(jìn)到宇宙起源了，畢竟今年已經(jīng)是哈勃望遠(yuǎn)鏡工作的30年整，大大超過(guò)了預(yù)期的使用期限。

哈勃望遠(yuǎn)鏡確實(shí)將要迎來(lái)退役，不出意外的話，2021年，哈勃的繼任者詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡將發(fā)射投入使用。人們期待著韋伯望遠(yuǎn)鏡可以觀測(cè)到更遠(yuǎn)的過(guò)去，也許可以觀測(cè)到第一代恒星。不過(guò)，在詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射之前，哈勃極深場(chǎng)將保持著太空觀測(cè)的深度記錄。

詹姆斯望遠(yuǎn)鏡也是一個(gè)“命途多舛”的望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)榉N種原因延遲發(fā)射，至今已有十多年，不過(guò)詹姆斯·韋伯還是有很多值得期待的地方：

1. 更大，更精密：韋伯口徑高達(dá)6.5米，是哈勃的3倍；
2. 發(fā)射質(zhì)量輕：約6.2噸，相當(dāng)于哈勃的一半；
3. 工作波段范圍更廣：韋伯可以在紅外波段工作；
4. 耐低溫：能在接近絕對(duì)零度，即零下273.15攝氏度工作；
5. 反射式鏡頭的設(shè)計(jì)，史上最科幻的飛行蓮花外形。

到底應(yīng)該怎么評(píng)價(jià)哈勃？

哈勃從誕生以來(lái)多災(zāi)多難，毛病不斷，正應(yīng)了中國(guó)那句老話“新三年，舊三年，縫縫補(bǔ)補(bǔ)再三年。”相比于最新一代的韋伯望遠(yuǎn)鏡，哈勃在各個(gè)方面也顯得捉襟見(jiàn)肘。它為我們帶來(lái)了壯麗的宇宙深場(chǎng)，進(jìn)一步證實(shí)了宇宙大爆炸理論。因此，我們要記住的是：哈勃，永遠(yuǎn)是人類歷史上的一大傳奇！

哈勃望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)巨大的成功，是永遠(yuǎn)值得人類紀(jì)念與自豪的豐碑。哈勃望遠(yuǎn)鏡用這30年的時(shí)間，帶著全人類體驗(yàn)了一段跨越時(shí)空的旅程，通過(guò)這架非凡的望遠(yuǎn)鏡，去欣賞精彩、神秘、美得令人窒息的宇宙。