宇宙究竟有多大?宇宙的外面會(huì )是什么?
物理獅子愛(ài)
優(yōu)質(zhì)解答
這個(gè)問(wèn)題有兩層含義，一是宇宙的范圍有多大，二是宇宙的年齡有多大。這個(gè)問(wèn)題所談?wù)摰氖强梢?jiàn)的宇宙，也就是以我們所在的地球為一個(gè)球體，其半徑是自大爆炸以來(lái)，即宇宙作為一個(gè)點(diǎn)誕生，開(kāi)始向外迅速膨脹以來(lái)光所通過(guò)的空間。
從整體上看，宇宙很可能比這個(gè)可見(jiàn)的宇宙大得多。就測定所能提供的東西來(lái)說(shuō)，天文學(xué)家們顯然并不知道，至少不是確切地知道大爆炸是何時(shí)發(fā)生的。他們只是非?；\統地說(shuō)，大爆炸可能發(fā)生在100億年前，也可能發(fā)生在200億年前，或者是發(fā)生在100億年前到200億年前之間的某個(gè)時(shí)刻。對我們常人來(lái)說(shuō)，浩瀚無(wú)垠的宇宙幾乎是不可度量的。而對天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，精確地測繪宇宙天體不僅是必要的，而且也是可能的。
天文學(xué)采用的計量單位是“光年”，即光在一年里所走的距離。光的前進(jìn)速度約為每秒30萬(wàn)公里，一光年大約是 9。7萬(wàn)億公里。銀河系的直徑約為10萬(wàn)光年。而在銀河系之外還有別的星系，距離我們有數十億光年。最新發(fā)現的類(lèi)星體位于我們目前所能觀(guān)測到的宇宙邊緣，與地球相隔約100億～200億光年，是迄今所知的最遙遠的天體。
如此遙遠的距離簡(jiǎn)直令人難以想象。要測量太陽(yáng)系的其他行星或附近的恒星的距離，可以采用由古希臘人發(fā)明的視差計算法。所謂視差，是指從兩個(gè)觀(guān)察位置觀(guān)察同一物體時(shí)兩道視線(xiàn)所形成的夾角。在天文學(xué)中，測定視差的方法就是把兩個(gè)觀(guān)測點(diǎn)與被觀(guān)測的天體構成一個(gè)三角形，已知兩個(gè)觀(guān)測點(diǎn)連線(xiàn)(即基線(xiàn))的長(cháng)度，再從這兩個(gè)觀(guān)測點(diǎn)測出天體的方位(即三角形的頂角)，就能求出天體與地球的距離?；€(xiàn)越長(cháng)，求得的結果就越精確。
通常，在測量離地球較近的天體如月亮的距離時(shí)，可以用地球的半徑作基線(xiàn)，所測定的視差則稱(chēng)為“周日視差”。如果要測定太陽(yáng)系以外天體的距離，一般都以地球與太陽(yáng)的距離為基線(xiàn)，所測定的視差稱(chēng)為“周年視差”。用這種視差法測量相距8。6光年以?xún)鹊奶祗w非常準確，測量遠至1000光年的天體也能做到大體準確。
另一種測量恒星距離的方法是亮度測定法。一顆恒星可能因體積大、運動(dòng)活躍或距離地球較近而顯得很光亮。只要分清星球的實(shí)際亮度和視覺(jué)亮度，就能從光亮度上準確測出恒星與地球之間的距離。本世紀初，天文學(xué)家按波長(cháng)區分星球光亮，制成了光譜。他們發(fā)現，不同的恒星有不同的光譜特性。用分光鏡研究恒星的光譜，就能判斷該星的冷熱程度。
這有助于天文學(xué)家辨別貌似暗淡的小星是否遙遠的活躍的巨星。只要把一顆星的光與另一顆已知距離、活躍程度相似的星進(jìn)行比較，就能測量出這顆星與地球之間的距離。
80多年前，大多數天文學(xué)家都認為銀河系就是整個(gè)宇宙，銀河系之外什么也沒(méi)有?？墒?，當精確度更高的天文望遠鏡誕生以后，這種看法便被證明是錯誤的。過(guò)去觀(guān)測到的那些暗淡模糊的斑點(diǎn)，其實(shí)是其他的星系，有的與銀河系不相上下，有的則更龐大。
20世紀20年代，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃在加利福尼亞州的威爾遜山用當時(shí)世界上最大的反射式望遠鏡研究銀河系外星系，他分析了這些星系的光譜，發(fā)現各種譜線(xiàn)的波長(cháng)都移向紅色一端。這種現象叫做紅移，說(shuō)明那些星系正在向遠處飛離。波長(cháng)的改變是多普勒效應的作用，與疾駛而去的汽車(chē)喇叭聲調的變化同樣道理。由于宇宙在不斷膨脹，星系距我們越遠，紅移就越大。換而言之，越遠的星系，其飛離我們的速度也越快。哈勃據此提出了“哈勃定律”，確定了計算行星運行速度的天文學(xué)計量單位——“哈勃常數”。
但是，用哈勃常數作為測量尺度存在一個(gè)問(wèn)題，即無(wú)人知道它有多長(cháng)。關(guān)于宇宙膨脹的速率，天文學(xué)家們的看法并不一致。最保守的估計是，距離增加百萬(wàn)光年，則速度每秒鐘約增加16公里，即一個(gè)距我們5億光年的星系將以每秒約8047公里的速度遠離地球。有些天文學(xué)家估計的速率比這個(gè)數字還要大一倍。
按照第一種估計，宇宙中最遙遠的天體距離地球約有100億光年。而按第二種速率計算，則宇宙邊緣距離地球達200億光年之遙。
“哈勃常數”只能在太陽(yáng)系以外的太空里測定。在那里，膨脹速度非常大，任何局部影響都變得微不足道。如果天文學(xué)家能夠找到一支“標準蠟燭”，即某個(gè)類(lèi)星體，其亮度穩定，非常明亮，橫跨半個(gè)宇宙都可以看到，那么這個(gè)問(wèn)題便可迎刃而解。但是迄今為止，大家公認可通用于整個(gè)宇宙的“標準蠟燭”尚未找到。
因此，天文學(xué)家運用這一基本方法時(shí)往往采取一種分步方式，這就是設立一系列“標準蠟燭”，每一步只起測，定下一步的作用。近年來(lái)，3種不同的“標準蠟燭”，即近紅外線(xiàn)觀(guān)測造父變星、行星狀星云和麻省理工學(xué)院的約翰·托里的成片星系，都使人趨向于認為宇宙很年輕，有110億～120億年。
但是，還不能說(shuō)這便是標準答案，至少有另外3個(gè)天文學(xué)家小組得出了不同的結果。其中的一個(gè)小組是以哈佛大學(xué)天文學(xué)系主任羅伯特·柯什納為首，他們得出的結論是，宇宙并不是那么年輕，可能有150億年。
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