第一章　宇宙常识

宇宙的尺寸

宇宙有多大？它真的特别特别特别特别大！不过要是深究起来，这其实是一个非常深奥的问题。在探究这个问题的过程当中，我们会逐步接触到宇宙学的核心。不过，在搞清该问题的真正含义之前，不妨先看看那些和距离相关的、比较经典的物理概念。在宇宙学中，“距离”涉及的区域一般都极其广袤。想要弄清这是怎样一个尺度，可以从身边的“距离”开始分析，然后逐渐辐射出去，一步步迈向宇宙的尺度。

月球和我们的距离大约为25万英里，可以认为它就在我们附近。这样的一个距离，大致和一辆汽车从出厂到报废所行驶的里程数相当。如果你有一辆质量相当不错的小汽车，你就可以开着它一路抵达月球，甚至再开回来。当然，这只存在于想象当中。然而，如果我们把视野拓展到月球之外，用英里来描绘距离会变得很麻烦。由于宇宙实在太过广袤，我们通常用另一种工具来描绘距离，那就是光。计算一下光线传播的时长，就可以得知天体和我们之间的距离。既然光速是一个自然常数，它顺理成章成为一把非常实用的标尺。1秒钟，光可以传播186000英里。换句话说，1“光秒”就可以指代光在1秒传播的距离（186000英里）。同理，光在1.3秒内可以传播250000英里。因此我们在描述月球和我们的距离时可以不用“英里”，而是采用1.3光秒这样的表达方式。请注意，这些单位（比如光秒）看上去很像时间单位，但事实上它是一种长度单位，二者不可混淆。

平均来说，太阳和我们之间的距离大约为9300万英里，即8“光分”。因为信息传播的最快速度就是光速，所以当太阳表面有事件发生时，我们必须等待8分钟，直到光线传播到眼球时才能观测到该事件。之后的内容当中我们还会遇到这一概念，并将其放到宇宙的尺度上进行思考。不过，目前我们的主要精力还是应当放在“距离”，而不是走完这段距离所需要的“时间”上。

下一次再遇到身处市郊远离灯光、月光暗淡几不可见的情况时，你抬头看看夜空，就会发现一条格外耀眼的光带。这些熠熠星光来自数十亿颗隶属于银河系（我们所处的星系）的恒星，太阳就是其中非常具有代表性的一颗。通常来讲，一个星系大约包含1000亿颗恒星。这里有一个办法可以让你切身感受这个数字到底意味着什么，那就是用神经元做类比：人类大脑约有1000亿个神经元，所以我们银河系中的每一颗恒星都能对应你的大脑中的一个神经元。

银河系中的众多恒星分布于一个盘状区域内，其直径大约为10万光年，中间有一个凸起。图1-1展示了如果我们可以从远处观看银河系，它会是什么样子。银道是人类假想出来的一个面，这个面把银盘一分为二，就好像你切割无孔百吉饼。太阳系大约位于银盘中心至银盘边缘连线的中点。当我们望向银盘中心时，观测到的恒星数量要比扭过头来望向星系边缘时观测到的恒星数量多得多。这有点像住在城市边缘的感觉：尽管我们是城市的一部分，但我们可以看见某个方向上全部的高楼大厦。

插图2是利用CCD（电荷耦合器件）相机在可见光波段拍摄出来的银河系照片。如果我们眼睛的灵敏度更高一些，眼球更大一些，我们看到的银河系就会和插图2中的一样。插图中的暗色光带源于银河系中的尘埃，这些尘埃遮住了星光，某种程度上就像烈火中烟雾遮掩了火焰一样。在宇宙学中，“尘埃”指的是由多种元素（包括碳、氧、硅等）组成的微观颗粒。插图3展示了银河系的另一面，该图片由漫射红外线背景探索者（DIRBE）所拍摄，而漫射红外线背景探索者则是一架红外望远镜，乃是宇宙背景探测者卫星（COBE）所承载的三项科学实验之一。和插图2有所不同，插图3是在“远红外”波段，准确来讲是在100微米的波长下拍摄而成的。红外辐射可以向我们展示物体如何辐射热量。该图中我们看到的主要是银河系发出的热光，其实也就是所谓的热辐射。这些热量来自充斥整个星系、遮住了星光的那些尘埃。

银河系是一个非常具有代表性的星系，这类星系的平均温度30K左右。尽管看上去温度不高，但它们仍旧会以热能的形式释放能量。可以用白炽灯做一个大致类比：白炽灯泡对于我们来说非常显眼，因为它能够发射出和插图2类似的可见光。

与此同时，白炽灯泡也会辐射出虽然不可见，但能切身感受到的热能，在数值上要比前面的光能高许多。伸手触碰的一瞬间，你会发现白炽灯泡非常烫。不知道你是否看过用红外线技术拍摄的房屋照片，这些照片能够帮你分辨出热量是从哪些地方释放出来的（通常都是窗户）。当一个炙热的物体发热时，你感受到的热量通常也都是红外辐射。

现在让我们更进一步，迈向宇宙。我们的银河系隶属于“本星系群”，该星系群包含50多个星系，如图1-2所示。本星系群大约横跨了600万光年的范围，其中银河系是第二大星系，尺寸仅次于仙女星系。话是这么说，但在本星系群中“尺寸”的跨度实在太大了。比如，仙女星系拥有大约1万亿颗恒星，而较小的“矮星系”只有几千万颗恒星。大麦哲伦星云（插图3和图1-2）是银河系附近的一个小星系，围绕银河系旋转。由于“星系会围绕其他星系旋转”这个现象的存在，它们涉及的距离其实已经相当遥远。不过就像“本星系群”名字中暗示的那样，这些星系仍旧属于“本地”。尽管对天体什么时候才能算作“宇宙学”的一部分其实并没有清晰明确的界定，但通常来讲，我们会以方圆2500万光年的球或管为界线，本星系群只是其中的一小片区域。

为了提高感光度，捕捉到深空中微弱的光线，哈勃太空望远镜对准特定方向，观察了将近300小时，才终于拍出了只看一眼便终生难忘的插图4。这张图又被称为哈勃超深空（Hubble Ultra Deep Field，HUDF），其制图原理和相机的超长曝光有些类似。插图中距离我们最远的天体大约在数十亿光年之外，整幅图像所覆盖的区域面积大约是满月面积的1/60。准确来说，满月的角直径大约为0.5度。在一臂远的距离用肉眼观察小拇指所形成的角直径，和满月的角直径大致相等。你可以借此计算出，需要20万颗满月才能铺满整个天空。这张插图中还藏有一个令人震惊的事实：图中只有一小部分天体是恒星，绝大多数的天体都是星系，每个星系通常都包含1000多亿颗恒星。

想要弄清插图中星系的数量，你只要数一数就可以了。哈勃超深空背后的工作团队在图片中找到大约1万个星系，这意味着我们头上的天空之中一共存在大约1000亿个星系。需要强调的是，根据我们的观测结果，经典大小的星系数量有限。总的来说，在可观测宇宙（真实可观测宇宙是理论可观测宇宙的一个子集）当中，一共有大约1000亿个星系，每个星系通常都有1000亿颗恒星。这两个数字如此接近，纯属巧合。

刚刚我们引入了一个较为专业的概念，即可观测宇宙，同时也提到了一次非常深入的观测行为，即哈勃超深空。在这次观测中，基本上已经探明该方向上所有我们能够探测到的、和银河系类似的星系。换句话说，哈勃超深空代表了人类在探测和计算领域的最高水平。想要理解这些概念，就必须考虑察随时间演化的宇宙。不过目前我们还是继续将宇宙视为一片无穷无尽的、相对静态的浩瀚奇境，以便我们能够恣意徜徉。

假如时间可以冻结，人类可以遨游整个宇宙，我们会遇到哪些奇闻趣事？现在我们抛开光速的有限性不谈，大胆设想有这么一个人，比如爱丽丝，能够瞬间抵达宇宙的任意位置，毫无障碍地同其他人自由交流。各个星系可以被视为宇宙中的路标，原则上来讲，我们也可以给它们全部命名，之后便能闻其名，知其位。正如你在图1-2本星系群中所看见，银河系附近的天体名册已经录入完毕。但这远远不够，我们期待跨越更远的距离。假设爱丽丝正处于一个距我们100亿光年的遥远星系，我们希望她能够大致描述一下她身边的宇宙环境，比如，附近星系的数量和长相，然后拿她的描述和我们以身处银河系的视角所做出的描述对比一下，就会发现这两种描述其实差不多。尽管星系数目庞大，种类繁多，但无论我们走到何处，无论我们抵达多远，无论我们面向何方，平均而言，各星系周边的环境看上去都不会有太大变化，都和银河系长得很像，描述世界所用的语言也都是同一套物理定律。

这是一个非常重要的概念，值得复述，因为之后的内容全部建立在这个基础之上。粗略来看，在每一个瞬间，宇宙各处都大同小异。可以随便挑一个遥远的星系，联系上附近的居民，让他们以自己为中心描述一下方圆2500万光年范围之内的众多星系。我们会发现，他们做出的描述同样也适用于银河系周边的环境。

平均来说，在某个特定时间点，宇宙各处都一样，这个概念被称为爱因斯坦的“宇宙学原理”。如果有某个东西，它在太空每个角落都有类似的特征，我们就说这个东西是“均匀的”。宇宙学原理表明，大尺度观测下的宇宙就是同质的。宇宙学原理还表明，在大尺度的观测下，宇宙在每个方向上都是相同的，这种属性被称为“各向同性”。这意味着如果我们的视线有所转移（比如，从银面上移开），那么无论将卫星对准哪个方向，拍摄到的哈勃超深空图片平均而言都长得一样。总之，无论我们身在何处，宇宙都是均匀且各向同性的。

均匀和各向同性这两个概念彼此相关，却又不尽相同。举个例子，假如你生活在一个由西柚构成的宇宙里，住在中心地带，就会发现这个西柚宇宙是各向同性的（忽略果肉周边的薄膜）。不过，由于果肉在内部，果皮在外部，这个西柚宇宙并不是均匀的。

想要更好地理解宇宙学原理为什么会成为一种合理的通则，还需要再消化一些新概念。日常生活中我们可以发现，天空实在是和各向同性沾不上边，毕竟我们能看到日出和日落。此外，太阳系其实也和均匀这个概念相去甚远，因为诸多行星基本上都位于同一个平面内。想要分析宇宙，我们需要把视野放得更远，去想象在更大的尺度上更为简单的物质分布形式。

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现在我们已经走完一段让人应接不暇的宇宙之旅。我们的步伐迈得越来越大，路程也越来越远。一直走到哈勃超深空面前，才终于碰触到目前人类观测能力的上限，视野之中再也没有新的物质可供探测。想要明白为什么会发生这种事，就得考察宇宙在时间长河中的演化过程，这将在接下来的几个小节中逐步展开。除此之外，以抛开时间性、只谈空间性为前提，我们在宇宙中很是畅游了一番，仿佛已经亲眼看到一个凝结在瞬间的、平均而言布满了和银河系长得差不多的星系的均匀宇宙。我们可以把宇宙视为一个和“万能工匠”类似的三维网状结构，其中密密麻麻的连接器就代表着一个个长得差不多的星系。当然，这些星系在太空中的分布并非真的是网格状，不过“万能工匠”这种玩具的确能帮我们在脑海中建立一个描述宇宙的坐标系。