09.14 銀河系宣傳委第一講：宇宙有多大

地球，也許天生註定就該是不平凡的。

這顆誕生在銀河系獵戶旋臂邊緣的偏遠行星，在形成之初的前30億年，和太陽系其他兄弟姐妹相比，一切大抵還沒什麼不同；然而在之後的20億年內，它厚積薄發，日新月異，最終一躍成為全銀河系最獨特最具魅力的希望之星。倘若現在把整個銀河系比喻成為一尊皇冠，那麼地球無疑就是這尊碩大皇冠上當前最耀眼最值得關注的那顆藍寶石。

這主要得益於兩個原因:

一是地球出色的生態環境並由此孕育出了生命；

二者因為人類的出現。

拋開邪惡和善念不談，人確實是有史以來的最偉大的物種之一，不僅僅因為其所創造出來的非凡成就，往往還更因為人們本身在許多問題上的深刻認知。正因這樣，在地球的萬千物種當中，是人而不是其他生物後來居上成為了地球的主人；即便站在銀河系的角度，整個人類文明也是無比壯觀而可歌可泣的。但在這裡，我無意過多評價人類。

作為銀河系宣傳委第一講，首先我真正想講的是“宇宙有多大”。在此問題上，聰明如人類也往往缺乏正確的認知，與此同時，這個問題其實又如此重要。

人類對宇宙的第一個錯誤印象便是大部分人通常認為他們不需要知道宇宙有多大，

這部分人的依據一般類似於“螞蟻不需要知道地球多大一樣可以活的很好”。誠然，諸如螞蟻、猴子等生物不需要知道地球多大、宇宙多大，它們而且不需要想太多，卻依舊能夠世代繁衍；但是另一方面，它們也因此永遠到達不了人類的高度。人之所以為人，號稱萬物之靈，就是因為相比其他，人類一直充滿了求知慾、好奇心和探索欲；如果不去提出問題，思考問題，解決問題，大概也就失去了人之為人的意義。某種程度上，“宇宙有多大”只是個很好的很根本的問題，顯然身為人類是不該拒絕的；更重要的是，只有真正解決了這個問題，人類才能更好明白其自身在宇宙當中的定位。

幸而在地球上，仍然有相當一部分人是能欣然接受這個問題的；同時不幸的是，即便對這部分人來說，他們也不能總在一開始就給出各種問題對的答案，當思考“宇宙有多大”時尤其這樣。夜空的深邃和浩大讓人們誤認為宇宙應該是平靜而無限的，這個觀點很快就獲得了前面提到的那大部分人的同意。總之在很長一段時間內，幾乎所有人都無理由相信宇宙是無邊無際的，宇宙成了無限的代名詞。

可是宇宙不是無限大的。“認為宇宙無限大”實際是人類對宇宙的第二個錯誤認識。

這也很好解釋。

首先我們可以假設宇宙是有限大小的，那麼它包含的星體數目必然也是有限多的，因此當我們夜晚抬頭望向天空，雖能看到群星閃耀，但目所能及之處更多還是漆黑一片，畢竟在有限卻足夠大的空間內，你無法保證每條視線的終點處都剛好對應一顆恆星。而如果宇宙是無限大的，那它應該也存在了無限久，

這樣在離我們很近和很遠的地方，累計會有著無限多的恆星存在，對於離我們無限遠的恆星，因為宇宙已經存在了無限久，它們的光線依然可以到達地球；總之在無限大的宇宙裡，當夜幕降臨我們抬頭去看天空，每條視線的終點處都應該至少對應一顆恆星，整個夜空該和白天一樣亮才對。1823年，德國天文學家奧博斯首次提出這個疑問，這就是著名的“奧博斯佯謬”。

“奧博斯佯謬”一經提出，便對無限宇宙論造成了重創；顯然它也基於以下前提:

1.宇宙是無限大的。

2.宇宙存在了無限久。

3.宇宙是平靜的，空間既不收縮也不擴張。

4.宇宙中隨時都需有新恆星的誕生來替代老恆星的死去，以維持無限多的星體數目。

在奧博斯的年代，這四條假設咋一看似乎都沒什麼錯誤；直到1850年，同為德國科學家的魯道夫.克勞修斯在一篇論文中首次提出了熱力學第二定律的基本概念，到1865年他又引進熵的概念。根據熱力學第二定律和熵的特徵，克勞修斯很快發現“奧博斯佯謬”的確是有瑕疵的，之後他把“奧博斯佯謬

”修正成了以他名字命名的“克勞修斯佯謬”:

在永恆的無限大的宇宙裡，所有恆星在很久前就已全部熄滅，巨大的宇宙應自發地處在溫度完全一致的冰冷狀態，所以夜空看起來應是漆黑一片。

無疑，這對無限宇宙論而言又是另一潑冷水。

結論是顯而易見的，無限宇宙論一定哪裡出了問題。事實上，解決這個矛盾的方法未嘗不很簡單，只要你承認宇宙不是無限的，也非穩恆態的。

這固然需要巨大的勇氣，卻抵擋不住勇者前進的步伐：

·1929年，美國天文學家哈勃對已測得距離的20多個星系進行分析統計，無意中發現河外星系的紅移現象，且星系紅移量與星系間距離成正比，哈勃定律應運而生；

·1932年，比利時人勒梅特根據哈勃定律反推，提出原始原子假說；

·1946年，美國物理學家伽莫夫進一步融合了前面兩位的觀點，正式提出宇宙大爆炸理論:即我們的宇宙起源於大約140億年前的一場大爆炸，之後便一直遵循哈勃定律膨脹至今。

至此，宇宙大爆炸和膨脹模型初具雛形。接著在，

·1964年，美國貝兒電話公司的兩位工程師彭齊亞斯和威爾遜誤打誤撞發現宇宙3k微波背景輻射，和大爆炸預言非常接近，這成為支持大爆炸理論的有力證據；

·1990年，哈勃望遠鏡從肯尼迪航空中心飛入太空，哈勃對數萬河外星系的觀測無一例外驗證了哈勃定律和宇宙膨脹假說的正確性；

·1998年，根據哈勃望遠鏡對la超新星觀測得到的數據，天文學家得出宇宙在加速膨脹的事實，導致宇宙這一行為的作用力被稱為暗能量，發現者們也因此在2011年共同榮獲諾貝爾物理學獎。

時至21世紀，人類已完全證實和確信我們宇宙的確起源於約138.2億年前的一場大爆炸:

大爆炸後最初幾秒，宇宙空間經歷過一次暴漲，這導致了物質在空間分佈的均勻和各向同性；之後的大部分時間，宇宙繼續緩速膨脹，直到某個時間點後，宇宙又開始在暗能量作用下加速膨脹。大尺度上，宇宙空間膨脹導致的星系退行速率遵循哈勃定律。

這樣看來，宇宙的確是有限的，它存在了有限久，顯然也有著有限的大小。

那這有限的大小究竟是多大呢？

大多數人以為他們能夠直接觀測到這個大小，他們堅信只要使用最先進的儀器，就能看到宇宙邊緣，而從宇宙邊緣到地球的距離就是當前宇宙半徑；除此之外，還有少部分人經常會把宇宙大小和宇宙年齡混淆，所以他們會肯定地告訴你當前宇宙半徑是138.2億光年。

無疑，這是錯的。

沉浸於地球環境下的經驗主義，誤認為宇宙可以一覽無餘，能通過觀測手段得到宇宙大小——這正是人類對宇宙的第三個錯誤判斷。

首先，地球並不是宇宙中心，地球只是個觀測點，以地球為球心去直接得出宇宙半徑是很愚蠢的行為；其次，想要一窺宇宙邊界也沒那麼簡單，事實上這是不可能的，因為只要空間膨脹夠快，你的視線其實就永遠追不上宇宙邊緣的擴張速度，而當前正是這樣。

但並不是說我們人類就永遠無從得知真實宇宙的大小了，根據最新的∧（冷暗物質)CDM宇宙學模型，代入當前宇宙的物質密度量和大爆炸殘留的微波背景輻射後，結合哈勃定律還是能夠推算出真實宇宙半徑的，計算公式為：

這樣算出來的宇宙半徑是470億光年左右。實際上只要你考慮清楚宇宙半徑是大爆炸中心而非地球到宇宙邊緣的實時距離，上述計算結果和哈勃觀測結果也勉強對應得上。

這張圖片大致能反映出為什麼當前可觀測宇宙的真實半徑大約為從地球能觀測到的最遠星系距離的三倍多:

以GN-z11星系為例，從它發出第一束光到地球剛好接收到的134億年間，地球到宇宙爆心的距離也膨脹了134億年，同樣在發出第一束光後，GN-z11星系也以比地球更快的速度膨脹了134億年。

不管怎樣，請記住這個數字:470億光年。

記住這才最接近當前可觀測宇宙的真實半徑。