宇宙有多大？宇宙的中心在哪？

銀河系之外還有數以10億計的龐大天體系統，與銀河系屬於同一結構層次，統稱星系。人類肉眼可以看見的最遠天體——仙女座星系——就是其中之一，它距銀河系225萬光年，但在與銀河系大小相當的星系中還算最近的一個。星系在宇宙中的分布是不均勻的，有的成雙，有的成群，大的星系團甚至包含成百上千個星系。有些星系團又聚集成尺度更大的超星系團，但在5億光年以上至目前觀測所及的150億光年之間，尚未發現不均勻的跡象。那麼，這些星系又歸屬於誰呢？　　16世紀，哥白尼提出日心說，為地球找到了坐標，把地球從居於宇宙中心的特殊地位降為一顆繞太陽旋轉的普通行星，正確地反映了太陽系的實際情況。十八、十九世紀，是太陽系天文學發展的鼎盛時期，藉助望遠鏡，人們不僅發現了天王星、大量的小行星、行星的衛星等太陽系成員，還根據天王星實際觀測位置與理論計算位置的偏差，完全靠天體力學理論準確地預言了海王星的存在和位置，並最終導致了海王星的發現，從而有力地證明了當時的宇宙理論同太陽系的客觀實際是相符的。與此同時，人類的視野逐漸由太陽系擴展到更為廣闊的恆星世界。1718年，哈雷將自己的觀測同1 000多年前托勒玫時代的觀測結果相比較，發現有幾顆恆星的位置已有明顯的變化，首次指出了所謂恆星不動的觀念是錯誤的。1918年，沙普利分析當時已知的100多個球狀星團的距離和視分布資料，得出銀河系是一個直徑達10萬光年的龐大的透鏡形狀天體系統，太陽並不處於其中心的正確結論。1924年，哈勃發現仙女座星雲中的造父變星（其光度由於星體的膨脹收縮運動而發生周期性變化的一類變星），根據周期—光度關係推算出它遠在銀河系之外，是尺度同銀河系相當的巨大恆星系統。這一重大發現，將人類認識的宇宙範圍從恆星組成的銀河系擴展到由星系組成的更廣闊的世界。這個包括銀河系在內由眾多星系組成的世界，就是我們今天所了解的宇宙。那麼，宇宙又是以怎樣一種狀態存在的呢？　　1916年，愛因斯坦提出廣義相對論。這一理論主張，時間和空間並不像人們一貫認為的那樣，只是一個讓物體在其中運動而本身卻不受影響的容器，而更像是一個形狀依賴於其上所載小球的薄膜。自由粒子和光沿著這一形變薄膜上彎曲的短程線運動，就像它們在小球引力的作用下偏離直線運動一樣。這種關於時間、空間和引力的全新理論，不僅正確地預言了日全食時掠過太陽邊緣的星光會發生1.75角秒的偏折，而且完滿地解釋了牛頓引力理論不能說明的水星近日點每百年前移43角秒的現象，因而逐步得到人們的公認，為上演現代宇宙學這場氣勢恢弘的戲劇搭好了堅實的舞台。1917年，愛因斯坦率先把他的廣義相對論應用於宇宙學研究，得到一個有限無界的靜態宇宙模型。儘管後來發現它不可能保持穩定而被放棄，但畢竟是一次開創性的嘗試，揭開了現代宇宙學研究的序幕。1924年，弗里德曼在廣義相對論的框架下，從理論上論證了宇宙要麼膨脹，要麼收縮，決不會保持靜止狀態。就如在太空中向四面拋出的一把石子，要麼繼續飛散開去，要麼在相互間引力的作用下聚攏回落，不可能在某個中間位置保持相對靜止一樣。儘管這個淺顯的例子不難理解，但在沒有確切的事實證明之前，人們是很難放棄宇宙整體靜止的傳統觀念的。那麼，我們有沒有辦法覺察作為宇宙基本成員的星系的運動呢？能不能像發現恆星的自行（恆星間在天球上的相對位置的變化）那樣，通過比較不同時代拍攝的天文照相底片來發現星系的自行呢？這至少在目前條件下是不可能的，因為星系離我們實在太遙遠了。幸運的是，物理學為我們提供了另一種測定物體運動速度的有力手段——

多普勒

效應。光波同聲音一樣，也有類似效應：面向觀察者運動的光源譜線（與靜止光源相比）將向高頻（即光譜藍端）移動，而背向觀察者運動的光源譜線將向低頻（即紅端）移動，波長的相對移動量與相對運動速度成正比。1929年，哈勃在仔細研究了一批星系的光譜之後發現，除了個別例外，絕大多數星系的光譜都表現出紅移，而且紅移量大致同星系的距離成正比。如果將紅移解釋為

多普勒

效應，那就意味著所有星系都在離我們而去，其退行速度正比於同我們的距離。這一關係為哈勃定律，比例常數稱為哈勃常數。如果遵循哥白尼的思想，認為我們在宇宙中並不處於特殊的中心位置，也就是說哈勃定律對任何星系來說都是成立的，那麼，直接的推論就是：宇宙中所有的星系都在彼此遠離，即宇宙處於普遍的膨脹之中。既然我們已經證明了宇宙正處於一種膨脹狀態，那麼人們自然會問；宇宙在最初是一種什麼狀態？它將來會是怎樣一種歸宿？　　如果星系目前正在彼此遠離，那麼它們過去必定靠得更近，也就是說，較早時代的宇宙，物質密度會更高。繼續這一推理就意味著過去必定存在一個有限的時刻，那時宇宙中的物質被壓縮為極其高密的狀態。按照哈勃定律將星系的距離除以各自的速度，就可以估計出那一時刻距今約100~200億年。這段時間對所有星系來說是共同的，事實上它們就是哈勃常數的倒數。那一時刻通常被稱為「大爆炸」，也就是我們宇宙的開端。如果這一推論不錯，那麼宇宙中一切天體的年齡都不應該超出這個「宇宙齡」所界定的上限。為了驗證這一假說，人們藉助盧瑟福所開創的利用物質中放射性同位素

含量測定

其形成年代的方法，測量了地球上最古老的岩石和「阿波羅號」宇航員從月球上帶回的岩石以及從行星際空間掉到地球上的隕石樣本，發現它們的年齡均不超過47億年。恆星的年齡可以從它們的發光功率和擁有的燃料儲備來估計。根據熱核反應提供恆星能源的理論，人們估計出銀河系中最老的恆星年齡為100~150億年。用這兩種完全不同的方法得到的天體年齡竟與「宇宙齡」協調一致，這對大爆炸宇宙模型當然是十分有力的支持。宇宙大爆炸理論的創始人斯蒂芬·霍金認為：宇宙的源頭是「無限密度的一點」。他認為這密度無限大的一點在距今200億年以前發生了一次大爆炸，大爆炸形成了時間、空間和物質。理論推測認為，早期宇宙曾經非常熾熱。在大爆炸後一秒鐘以前，宇宙中的溫度高於100億K。那時不僅不可能存在星系、恆星、地球，甚至除了氫核外也沒有其他化學元素，只有處於熱平衡狀態下的由質子、中子、電子、光子等基本粒子混合而成的「宇宙湯」。起初，中子和質子的數量幾乎相等，隨著溫度的降低，兩者的比例逐漸下降，在約3分鐘時達到1∶6左右。當溫度降到10億K時，中子和質子合成氘核的反應開始，類似氫彈爆炸時發生的聚變過程，迅速把所有的中子和成到由兩個質子和兩個中子構成的氦核中。由此不難算出，氦同

氫的質量

比應為1∶4。天文觀測表明，無論在宇宙中哪個角落，無論在恆星、星際物質中，氦與氫的比例均大體與此相符。同一時期合成的氘、氚、鋰、鈹、硼等輕元素，儘管數量小得多，但它們的丰度（即與氫的比例）也具有類似的普適性。這對大爆炸模型無疑是一個有力的支持。熱大爆炸的另一個重要遺迹是微波背景輻射。前面說過，大爆炸後最初幾分鐘，宇宙就像一個氫彈爆炸時產生的火球，處處充滿了溫度高達10億K的光輻射。由於處於熱平衡中，這種輻射強度隨波長的分布服從普朗克分布（或稱黑體普）。隨著宇宙的膨脹，輻射溫度不斷下降，但始終保持黑體普形和總體均勻性。按照伽莫夫等人的計算，作為這種過程的遺迹，目前的宇宙中應普遍存在溫度約5K的背景

黑體輻射

。由於這種輻射的峰值波長在1毫米附近，處於微波波段，故又稱微波背景輻射。令人遺憾的是，這一重要預言在提出後的10多年中竟未引起人們的認真關注。直到1964 年，美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯和威爾遜用一架

衛星通訊

天線在7.35厘米波長處探測到一種來自宇宙空間的強度與方向無關的信號時，他們起初也並不清楚自己發現的意義。後來

普林斯頓大學

的皮伯斯等得知這一消息，才認識到這正是他們試圖尋找的宇宙背景輻射。為了最後「驗明正身」，20多年來，形勢逐漸明朗。1989年，美國宇航局專門為此發射了宇宙背景探測者衛星，第一批測量

數據表明

：在從0.5毫米到5毫米的整個波段上，該輻射的譜分布與溫度為 2.735±0.06K的理想黑體完全相合；在扣除運動效應以後，天空不同方向的相對溫度差小於十萬分之一。這就無容質疑地證明了微波背景輻射的黑體性和普適性。它是熱大爆炸模型最令人信服的證據。霍金認為，空間和時間起源於大爆炸，並將以黑洞的形式結束霍金認為，對於我們的宇宙來說，如果宇宙的總質量大於某個數值，最終有一天它就會在自身的引力下產生「大坍縮」。這是一個與大爆炸相反的過程，屆時時光將會倒流；如果宇宙的質量小於某個數值，那麼宇宙就會像現在這樣一直膨脹下去。
推薦閱讀：