第2章 人类需要破解宇宙天书(1)

无边无际，无始无终。这即是人类对宇宙的已知认识。

宇宙太广大了，以至于宇宙中的地球小得如同一粒尘埃。宇宙太神秘了，以至于地球人绞尽了脑汁、穷尽了假设，仍无法窥测其中的全貌和究竟。虽然如此，由于生于斯、长于斯的缘故，地球上的人类永远不会停止对宇宙未来的探索、对宇宙天书的破解。因为，地球只有一个，地球及其所有的生命皆属于宇宙。

一、宇宙是无限还是有限

宇宙有多大？这是每个人都可能要问的问题，可又是谁也不能给出满意答复的问题。

关于宇宙有两个概念，一是我们用望远镜能够看到的空间范围；一个是我们看不到的空间范围。

目前来说，我们看到的空间范围接近200亿光年，大约几十亿个星系。就我们所看到的宇宙，有人曾做过这样的比方：把人们观测的宇宙设为一个半径为1公里的大球，有3000亿颗恒星的银河系位于球心，大小就如一片阿斯匹林药片。银河系的孪生姐妹仙女星系M31距我们约13厘米。再往外，距本星系最近的一个玉夫星系团，距我们约60厘米。3米以外有200多个星系，体积如足球大小的室女星系团的中心，这个星系团是一大群星系松散的集合体，本星系群也是其下属。大约20多米处，是含有几千个星系的集团——后发星系团。更远处还有更大的星系团，最大的直径达20米左右。天空中最强的射电星系之一的天鹅座A，距我们45米；最亮的类星体3C237，位于130米处；1979年4月发现的第一个引力透镜类星体Q0957+561远在600米之外；1986年，英国剑桥大学科学家斯蒂芬·沃伦等人发现的离地球200亿光年的类星体，几乎达到了我们可见宇宙的边缘，接近1公里处。

以上是我们可见的宇宙，在这之外还有多大？边界在什么地方？这个宇宙尺度之谜，仍是人们感兴趣的问题。

德国大哲学家康德曾提出著名的时空悖论，强调人们关于宇宙有限与无限的理解必然存在着矛盾。

古典力学创立者牛顿设想：宇宙像一个无边的大箱子，无数恒星均匀地分布在这个既无限又空虚的箱子里，靠万有引力联系着。他的观点引出了有名的“光度怪论”（即奥尔伯斯佯谬）：如果宇宙真的是无限的话，恒星又是均匀地分布着，那么夜晚的天空将会变得无限明亮。

相对论导师爱因斯坦于1917年提出了有限宇宙的模型，即“把宇宙看作是一个在空间尺度方面的有限闭合的连续区”，并从宇宙物质均匀分布的前提出发，在数学上建筑了一个前所未有的“无界而有限”、“有限而闭合”的“四维连续体”，即一个封闭的宇宙。根据爱因斯坦提供的这个“宇宙球”模型推想，在宇宙任何一点上发出的一道光线，将会沿着时空曲面在100亿年后返回它的出发点。

但迄今为止，人们关于宇宙的总的几何结构尚未真正了解，难以回答时空曲率是正、是零还是负。尽管爱因斯坦的相对论对这三种可能性都能适应，并且他本人倾向于肯定有限的成正曲率宇宙的存在。

人类目前的认识，实际上是把宇宙作为在时间上有起点、在空间上有限度的想象模型来对待的。同时，又是依据对宇宙的探测深度来估算宇宙的大小及其年龄的，尽管在过去的几十年间，科学家们一直在不停地修正，有关宇宙观测的事实表明，宇宙的可测潜力是难以想象的。

宇宙的尺度究竟是有限还是无限的？现实的回答只能是：人们所能认识的宇宙还是极其有限的，只要人们找不到宇宙可以穷尽的迹象，那么就应该承认，对宇宙范围的了解是没有止境的。

宇宙到底有多大？这是凭感觉无法回答的，但也是无法单凭理论来证明的。自古以来，人们将这个问题从哲学上定义为“宇宙是有限的、还是无限的”。实际上，在任何时代，人们直观经验所能把握的宇宙总是有限的，但这并不能从直观上肯定自己的经验所感知的是全部宇宙。所以，人们的想象可以超越经验，认为宇宙是无限的。

人类是顶天立地的生灵。在古代，地心说占主导地位，哥白尼日心说被接受后，至20世纪初，直接观测的天体范围超出了银河系。1912年美国人斯里弗发现，除了仙女座大星云外，所有银河以外星云的吸收光谱线，都有向红端移动的现象。接着，哈勃进一步观测和分析这一现象，于1929年提出了哈勃关系式：星系谱线的红移量与星系到我们的距离粗略地成正比。他当时用多普勒效应来解释这一现象，得出的结论是：河外星系都在离地球而去，而且离我们越远的星系，离我们而去的速度越快。

哈勃当时测出，当星系离我们的距离为100万光年时，其退行速度为150千米/秒，后来的天文学家修正了这个值。根据1996年英国卡文迪许实验室的科学家最新计算出的哈勃常数，按照距离与退行速度之间的线性关系，哈勃关系式告诉我们，当星系离我们远于160亿光年时，其退行速度会达到光速。在这种情况下，这些星系所发出的光就不能传到地球上来了。所以，我们也就无法看到它们了。

不过，这个结论并不是定论。这是因为，在实际中确定哈勃常数的值是很困难的，它可能被再次修正。另外，根据广义相对论，星系谱线的红移也可以由引力场造成，也可能是其他因素造成的，还可能是由途中损失造成的。所以，我们目前并不能确定宇宙的真正大小。

不过，已经可以明确的是，宇宙在发展上有阶段性，在分布上有连续性。问题在于这种发展的阶段性是否存在着无限系列（成无限循环）？分布的连续性是否存在着无限区域（成无限广度）？我们地球在时间系列中、空间区际中，究竟处于怎样的“原点”上？

由于人们找不到宇宙有限深度的证据，且无从制定宇宙膨胀的极限（假定宇宙是真实的话），那么，宇宙尺度问题也许会成为一个永恒的谜。

1.人类视野中的宇宙

我们凝视繁星密布的夜空，至多只能看见区区数千颗恒星而已，这就是古人对于宇宙所知的一切。随着人们制造出越来越大、分辨能力也越来越高的望远镜，一个巨大无比的宇宙渐渐映入了我们的视野。

大地来自天空，这是孩子们的想象；但它恰恰是天界的面目造就人的思想这种古老观念的现代翻版。夜空中群星的图案早已萦绕在世界各地诗人、思想家和幻想家们的脑际。它们激起了神话和宗教，引起了对于空间之浩瀚的疑虑与恐惧，并产生了对宇宙之广阔与壮丽的敬畏和仰慕。

人类栖息的地球，只是太阳系九大行星中一颗中等的行星，而太阳系在银河系中不过是沧海一粟而已。要说银河系有多大，我们先要弄清楚太阳系究竟有多大。

要说明太阳系有多大，让我们还是从地球说起。如果你住在北京城，到北京的昌平卫星城有几十公里，坐汽车或火车，大约1个小时就可以到达，火箭飞行只需要几秒钟，你也许觉得还不太远。如果你由此向西走，到兰州和乌鲁木齐，铁路线的距离分别为1800公里和3800公里，坐火车分别需要30小时和60小时，火箭飞行这样的距离分别需要4分钟和8分钟，你一定觉得很遥远。可是，地球的直径约12800公里，赤道周长约40000公里，坐火车绕地球一圈需要670小时，大约是28天，坐宇宙飞船绕地球一圈也需要80多分钟。

可是，当你走出地球，从太阳系来看地球时，它又很小很小。地球的质量只占整个太阳系质量的几十亿分之一。离地球最近的天体，即地球的卫星——月球，与地球的平均距离是38万公里；地球大约是月球直径的30倍；地球与最近的行星——金星的最近距离是4000万公里；地球与太阳的平均距离约为14960万公里，与最远的行星——冥王星的最近距离达40多亿公里。

这样的数字太大了，记忆和使用起来很不方便。于是，科学家们建立了另外一把量距离的尺子，叫“天文单位”。这把尺子取地球到太阳的平均距离为1，即1天文单位。这样，地球到冥王星的距离为38.4天文单位。以现在的火箭速度飞行，到冥王星需要10多年的时间。而冥王星的轨道还远远不是太阳系的边界。以太阳光能到达的范围计算，太阳系的半径可达100天文单位；如以太阳和太阳系的引力范围计算，太阳系的半径可达4500天文单位；如以围绕太阳系的稳定带计算，太阳系的半径可达10万天文单位；如按彗星的活动范围计算，太阳系的半径达到23万天文单位！

可是，在银河系中约有2000亿颗“太阳”（恒星）。离太阳最近的恒星是半人马座阿尔法星，它与太阳的距离为43万亿公里，约3亿天文单位。这个数字还是太大了。于是科学家们又建立了一把更长的尺子——光年，就是以光飞行一年的距离为一个单位。光的飞行速度为每秒钟30万公里，1光年约为10万亿公里。这样，太阳到半人马座阿尔法星的距离为43光年，而银河系的直径达10万光年！

银河系已经够大的了，可是，在宇宙中，像银河系这样的星系，数量多达几千亿个，我们把它们称为河外星系。星系有成团的倾向，如银河系和仙女座星系等30多个星系组成本星系群。一般的星系集团叫星系团。星系群和星系团又结合成超星系团，如本星系群属于以仙女座星系团为中心的本超星系团。但超星系团还不是最大的群体，在距银河系约2亿光年的地方有一个巨大的重力源，它牵引着本超星系团，这个“大牵引者”可能是许多超星系团组成的超星系集团。除星系外，宇宙中还有星云类星体和暗物质等。我们现在探测到的星系星系云或类星体，离我们最远的，已远远超过150亿光年的距离，但那里仍然不是宇宙的尽头。可见，我们的宇宙是怎样的无穷无尽！

2.看不见的宇宙：射电望远镜中的奇观

1932年12月，美国电信工程师央斯基发现了来自银河中心的射电辐射。8年后，美国人雷伯尔用射电望远镜证实了央斯基的发现，并测到太阳和其他一些天体发出的无线电波。于是，射电天文学产生了。

射电望远镜是接收、显示和分析空间无线电波辐射的装置，它不分昼夜地工作，能接收到宇宙尘埃后的天体辐射。人们把射电天文学称为全波天文学，在电磁波谱中，可见光只是一小部分，所以，射电望远镜可以观察“看不见的宇宙”。

1964年，彭齐亚斯和威尔逊用射电望远镜发现了3.5K的宇宙背景辐射。1967年，英国人休伊什和乔斯林·贝尔发现了来自天空的射电爆发源——脉冲星，也就是中子星。1968年，美国人汤斯等人在银河中心区发现了氨和水分子的谱线，第二年又发现了甲醛分子的谱线，说明星际存在着有机物质。

20世纪60年代，射电天文学家还发现了类星体。类星体是类似恒星的一个点光源，其谱线的红移量极大，如果用多普勒效应来解释，它的飞行速度便可超过光速。如果类星体离我们很远，那么它辐射的巨大能量是如何产生的？如果离我们不远，那么红移现象又是如何产生的？这些都为天文学提出了新的问题。所以，类星体被称为谜天体。

射电天文学研究也给人类提供了宇宙中的特殊信息：星际空间存在着每立方厘米不到一个原子的高度真空，中子星内部的密度达到了每立方厘米10亿吨物质，脉冲星表面有1万亿高斯的磁场，爆发时的恒星会产生100亿度的高温，某些星系与星系核可能以大于光的速度向外抛射物质等。对于这些现象，我们人类又能进一步认识到什么程度呢？

（1）四大天文发现之一：宇宙微波背景辐射

1978年的诺贝尔物理学奖授给了宇宙微波背景辐射的发现者、美国贝尔电话公司的两位工程师彭齐亚斯和威尔逊。这对他们来说，真是没有料到的殊荣，因为宇宙微波背景辐射是自己闯入他们的视野里来的。

那是在1964年到1965年间，彭齐亚斯和威尔逊为了接收从人造卫星上传来的微弱信号，使用了特殊的角状天线，并改装了接收器。可是，他们却意外地收到了一种奇怪的辐射信号。这个辐射信号在天空中任何一个方向上都能收到，并且强度都一样，在不同季节里，其强度也没有变化。这种现象说明，这种信号不可能来自人造卫星，也不会来自太阳或银河系中心，同样不会来自河外星系外的某个射电源，因为这种辐射信号不受方向的影响。后来，这一辐射信号也被其他科学家收到了。经分析，这种辐射具有这样几个特点：它产生的温度是绝对温度三度，即摄氏零下270度，一般写成3k，它的波长属微波波段，强度高，均匀地分布在天空背景上，因此人们给它起名叫“微波背景辐射”。

宇宙微波背景辐射被发现后，人们纷纷对它的产生提出了种种假说，其中有种观点认为，这种辐射产生于宇宙大爆炸。

大爆炸宇宙学认为，宇宙原来是一个原始大球，后来，大球发生爆炸，宇宙开始膨胀，组成火球的物质飞向四面八方，渐渐冷却，凝聚起来成为星系。原始火球产生辐射，也会由膨胀而冷却。如果我们看到的是大球辐射的残余部分的话，这种辐射就应当在波长较大的射电和微波波段上，这些残余辐射就会随着宇宙的膨胀而充满整个宇宙。