□ 聞 新 朱詩嘉

什么是宇宙？

宇宙是一切物質(zhì)及其存在形式的總和，它包括地球和其他一切天體。所以，宇宙是由空間、時(shí)間、物質(zhì)和能量所構(gòu)成的統(tǒng)一體。

人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)是先從地球開始的，然后從地球擴(kuò)展到太陽系，從太陽系擴(kuò)展到銀河系，從銀河系擴(kuò)展到星系，從星系擴(kuò)展到星系團(tuán)……等等。宇宙是如此之大，包括上千億個(gè)星系，但人類可以觀察到的星系數(shù)量非常有限。天文學(xué)家認(rèn)為，距離人類最近的任何一個(gè)可見星系，如果以光速朝它飛去，大約需要10億多年的時(shí)間。

在過去的200年里，人類已經(jīng)開始對(duì)宇宙的組成有所了解。盡管宇宙空間存在很多星系或超星系，但大部分宇宙空間是空空蕩蕩的，或者是充滿著人類看不見的物質(zhì)。

宇宙空間

宇宙的結(jié)構(gòu)是怎樣？

天文學(xué)家認(rèn)為宇宙是一系列星系、超星系，以及更大規(guī)模的超星團(tuán)所排列組成的星網(wǎng)。采用計(jì)算機(jī)模擬分析，宇宙呈現(xiàn)一種纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)上分布著節(jié)點(diǎn)、纖維帶和層。隨著宇宙膨脹，這些微小的高密度區(qū)逐漸吸引更多的物質(zhì)向其聚集，漸漸地，形成了我們今天所能觀測到的宇宙。

在這個(gè)星網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，幾乎所有的星系都分布在“纖維絲”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，幾乎空無一物。不過，天文學(xué)家認(rèn)為盡管看上去那里確實(shí)什么都沒有，但實(shí)際上那里也許充斥著暗物質(zhì)，有待人類進(jìn)一步探索。

計(jì)算機(jī)模擬宇宙星網(wǎng)空間

宇宙的年齡是多少？

宇宙的范圍如此巨大，目前天文學(xué)家還不能算出宇宙的精確年齡，但是，有很多不同的觀測數(shù)據(jù)，可以證實(shí)宇宙的年齡大約為140億年。

例如，星體放射出的光譜是一種化學(xué)物質(zhì)，通過測定和分析這種化學(xué)物質(zhì)，就可以確定宇宙的年齡。目前已經(jīng)測定最老的星體的年齡是130億年，它形成初期還要花上10億年左右的時(shí)間，由此推算出宇宙的年齡大約為140億年。

再例如，天文學(xué)家測量銀河系中死去的白矮星的溫度，然后推算其死的時(shí)間，進(jìn)而推算其年齡。最老的白矮星年齡大約有120億～130億年，這個(gè)白矮星的形成還要花很長時(shí)間，所以宇宙年齡最小也要140億年。

另外，天文學(xué)家通過逆推算宇宙膨脹的過程，就會(huì)知道星系間的擴(kuò)展速度，根據(jù)這個(gè)擴(kuò)展速度，計(jì)算從宇宙初期到擴(kuò)展成今天這種程度所需要的時(shí)間，即為宇宙年齡。最后結(jié)論也是大約140億年。

圖中方框內(nèi)為銀河系中一顆最古老的白矮星

宇宙究竟有多大？

目前沒有人知道宇宙究竟有多大，所以宇宙的大小可以由人們?nèi)我庀胂?，但借助于最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，可以觀測到宇宙中至少包含幾千億個(gè)星系。真空中的光速是一個(gè)常值，那么由于宇宙自誕生以來大約為140億年，這就意味著我們最遠(yuǎn)只能看到140億光年遠(yuǎn)的地方。所以人們得出結(jié)論：宇宙空間的直徑比140億光年大得多。

從另一個(gè)角度看，由于宇宙膨脹速度極快，所以目前我們所能觀察到最遙遠(yuǎn)的星系距離我們的距離可以達(dá)到465億光年。另外，盡管我們并非居于宇宙的中心，但是我們居于可觀測宇宙的中心，它是一個(gè)直徑約為2×465億光年，即930億光年的球體。事實(shí)上，宇宙是無限大的、無窮無盡的、無邊無際的。

人類可觀測到的宇宙是一個(gè)直徑約為930億光年的球體

宇宙是在變化的嗎？

在過去很長一段時(shí)間里，科學(xué)家一直認(rèn)為宇宙是恒定不變的。在20世紀(jì)里，人類一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)就是科學(xué)家知道了宇宙是不斷膨脹的，并且這種膨脹幾乎可以以任何速度進(jìn)行——甚至超過光速。由于宇宙膨脹，使宇宙空間變得越來越大。

直到1924年，科學(xué)家才知道銀河系之外還有其它星系。在那時(shí)，美國天文學(xué)家哈勃，通過天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一個(gè)模糊的光斑，實(shí)際上，這個(gè)光斑是一組星，大約離地球200萬光年，而且位于銀河系之外；后來，哈勃在美國天文學(xué)會(huì)上宣布了關(guān)于河外星系這一重要發(fā)現(xiàn)，由此掀開了探索宇宙的新一頁。

1929年，哈勃觀察到無論什么方向傳到地球上的光線都發(fā)生了紅移，就是頻率變小，波長變長；根據(jù)多普勒定律，這反映的是遙遠(yuǎn)星系和地球的距離越來越遠(yuǎn)，所以得出了宇宙正在膨脹的觀點(diǎn)。

“星系距離越遠(yuǎn)，紅移越大，也就是說，越遠(yuǎn)的星系正以越快的速度飛馳而去”，這一規(guī)律已經(jīng)被稱為“哈勃定律”。

哈勃通過望遠(yuǎn)鏡觀測宇宙變化

宇宙怎樣膨脹？

天文學(xué)家能看的所有星系都在以相等的速度遠(yuǎn)離我們（除了離我們地球非常近的天體之外）。事實(shí)上，哈勃定律已經(jīng)表明，“宇宙正在膨脹”。今天，利用航天器攜帶的望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家可以觀測到了遠(yuǎn)在100億光年之外的遙遠(yuǎn)星系，觀測結(jié)果表明這些遙遠(yuǎn)星系正在背離我們的銀河系而迅速遠(yuǎn)去。

關(guān)于宇宙膨脹過程，我們可以想象一下，宇宙的膨脹，就好比面包里的葡萄干，這里將面包看作宇宙，葡萄干看作星系，當(dāng)面包蒸發(fā)的時(shí)候，葡萄干之間的距離也會(huì)隨之在增大。

用于計(jì)算星系膨脹率的NGC4414漩渦星系

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡

“葡萄干隨著面包向外膨脹”的過程如同“宇宙膨脹”

下期預(yù)告：

下期的題名為“觀察宇宙現(xiàn)象”。主要圍繞著人類對(duì)宇宙的了解，觀察宇宙的儀器、什么是暗物質(zhì)、什么是黑洞和什么是脈沖星等問題進(jìn)行介紹與討論。引導(dǎo)讀者初步了解宇宙現(xiàn)象，了解人類用什么儀器探索和認(rèn)識(shí)我們的宇宙。