宇宙是巨大的,大家都知道。
但是它到底有多大?我们怎样才可能测量它的大小呢?要搞明白这些,先明确两个基本概念。
首先,因为宇宙太大了,所以测量宇宙距离的单位普遍是光年。
光年是光在一年内传播的距离大概是9万亿千米。
知道这个以后,有一些基本确定的天体距离知识大家可以了解下。
太阳系的直径大约8光时,或者说9亿千米。
我们身处的银河系大概有十万光年的直径,差不多等于一百万的三次方千米。
离我们最近的大型星系:仙女座距离我们2500万光年,这时还用千米来度量显然已经不合适了。
其次,我们现在测量的宇宙,一般称为可观察的宇宙。
由于宇宙实在太大了,我们无法看到宇宙的所有部分,有些宇宙深处发出来的光甚至无法到达我们的星球。
所以,我们重点关注的还是可观测范围内的宇宙。
理论上,这部分宇宙,我们是可以利用引力波和光来观测的。
目前天文学家们得出的结论是: 以地球为中心的一个球体半径来说,大概是460亿光年,或者简单点来说,从这个可观察的宇宙球体直径大约是900亿光年的距离。
这距离太疯狂了,但是更加疯狂的是天文学家,到底是如何计算出这个具体的数字的? 他们显然不可能用一把尺子来测量宇宙的长度。
其实宇宙年龄才是测量宇宙大小的关键。
目前一般认为,宇宙的年龄是138亿年。
目前为止人类观测最远的星系——GN-z11,根据哈勃望远镜的测定,它的年龄高达134亿年。
如果我们可以计算出目前离我们最远的光到达地球的距离,就可以推算出宇宙的观测半径。
但这个距离绝对不仅仅是138亿光年,真实的距离其实要大的多,因为宇宙自身是在不断膨胀的。
一个很流行的说法就是,宇宙就像是一个在炉子里烘烤的葡萄干面包。
面包宇宙每个葡萄干就是面团空间内的每一个星系团,葡萄干是不会在面团中移动的,但随着面团的烘焙和膨胀,所有的葡萄干都离彼此越来越远,但每个葡萄干自身的体积不会发生变化。
也就是说,星系团不会膨胀,而且星球、人类、树木都不会膨胀。
只是各大星系团之间相对的宇宙空间在膨胀,而且宇宙的膨胀速度每个阶段还是不一样的,就像面团在烘烤过程中,前几十亿年内由于高温烘焙膨胀地很快,然后降温膨胀也逐渐变慢,而在接下来的20亿年中,这个面团的膨胀系数及膨胀速率更是变化无常,也就是说具体可观测的宇宙,由于膨胀的变化无常使测量变得更加困难。
实际上,空间可以以任意速率膨胀,只要它愿意甚至它可以高于光速的速率膨胀。
所以在宇宙的一生中,一束光的发射地点可以被正在膨胀的面团空间带到无限远处。
为了知道确切的宇宙尺度,必须知道宇宙空间的膨胀速率。
我们如何才能了解在每一个历史时刻中,宇宙的膨胀速率呢?为了我们能最大程度地了解宇宙的膨胀历史,就必须使用一种叫宇宙红移的工具。
红移就像宇宙膨胀留下的胎记,留在一束束光线上。
大家都知道光的颜色是由波长决定的。
波长长的光更红,波长短的光更蓝。
如果空间没有膨胀,那么从一个遥远的星系传过来的光,到达地球后的颜色和它初始的颜色将会是一样的,离开时是蓝色,到达时也是蓝色。
但是因为宇宙正在膨胀,一束远处发射的蓝光到达地球时波长会被拉长,使蓝光变为红光,这就是红移,即光线颜色向红色移动的意思。
还有更多极端的情况,只要这个光发射位置离我们足够远,波长就可以被拉长到像微波或无线电波段的不可见光谱中。
也就是说,来自遥远星系的光会比从紧邻的星系传来的光更容易红移。
因为,远处的光会穿过更长的距离,所以它要在膨胀的宇宙中花更长的时间。
在这个逐渐变大的面团中,它的波长被拉的更长。
如果我们知道红移和距离之间的数量关系,我们就可以了解宇宙膨胀的历史,从而计算出宇宙的大小。
科学家们用了一个简单的方法找到了两者之间的数量变换关系。
首先,找到一群比仙女座还要遥远的星系。
其次,测出它们之间的距离和红向移动。
然后,将距离和红移画在一张图上,找出最佳的曲线。
现在你就得到了距离和红移的关系。
这时,我们再回到葡萄干面包模型。
如果我们将宇宙膨胀的历史反过来看,以我们了解到的膨胀速率作为缩小速率,最终葡萄干会彼此重叠在一起,也就是宇宙大爆炸的初始。
要回到这个初始时期会用多久呢?当然会是宇宙现在年纪那么长的时间,也就是13800000000年。
然后剩下的就只是烦人的数学问题了。
为了更好地理解,你可以这样想象一下:在宇宙面包大爆炸发生后的几秒中,每个葡萄干发出一束光,这束光可以无阻碍地穿行,让这个过程正向继续发展下去。
以宇宙膨胀历史告诉我们的速率,这些想象中的光束将会穿过正在膨胀的空间,在不同的时间到达我们。
其中一束光会穿行13800000000年,然后我们看见了这束光现在所到的位置, 大约是460亿光年之外。
这就是我们怎么知道可见宇宙的直径大约为900亿光年的方法。