[轉貼]宇宙有幾大?

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一直以來，天文學家和我們一樣，想知道宇宙究竟有多大。

最近，美國的太空網報道，經過艱苦的計算工作，天文學家發現宇宙超乎尋常的大，其長度至少為1560億光年。

“這樣一個有關宇宙大小的發現，顯然是以‘宇宙是球形的，是有限無邊的’為前提條件的。”中國國家天文台的研究員陳大明在接受記者專訪時說，“長期以來，宇宙學研究領域一直有這樣一個爭論，宇宙究竟是球形的、馬鞍形的、還是平坦的。”

北京師范大學副教授張同杰說：“國際主流宇宙學普遍認為宇宙是平坦的，是無限的。”那麼，圍繞宇宙的爭論從何而來？理據何在？

一種最為普遍的觀點：在大爆炸之後，宇宙誕生了。“根據現代宇宙學中最有影響的大爆炸學說，我們的宇宙是大約137億年前由一個非常小的點爆炸產生的，目前宇宙仍在膨脹。”陳大明研究員說，“這一學說得到大量天文觀測的證實。”這一學說認為，宇宙誕生初期，溫度非常高，隨著宇宙的膨脹，溫度開始降低，中子、質子、電子產生了。

此後，這些基本粒子就形成了各種元素，這些物質微粒相互吸引、融合，形成越來越大的團塊，這些團塊又逐漸演化成星系，恆星、行星，在個別的天體上還出現了生命現象，能夠認識宇宙的人類最終誕生了。

宇宙是球形的、有限無邊的？“認為宇宙是球形的觀點在很長時間內存在著，盡管不是國際宇宙學界的主流。”陳大明介紹說，“它的每一次提出，都會引起人們的關注，就是因為這一觀點很奇特。”一個最為明顯的例子就是不久前，由美國數學家杰弗里﹒威克斯構建的宇宙模型：一個大小有限、形狀如同足球的鏡子迷宮。“形如足球”的模型令科學界震驚，因為這一學說宣稱，宇宙之所以令人產生無邊無界的“錯覺”，是因為這個有限空間通過“返轉”效應無限重復映現自身。

威克斯認為，人們之所以感覺宇宙是無限的，是因為宇宙就像一個鏡子迷宮，光線傳過來又傳過去，讓人們發生錯覺，誤以為宇宙在無限伸展。這一驚人推斷後來被《新科學家》雜志收錄，同時作為一種“奇談”在民間廣為流傳著。

就在最近，美國太空網傳出類似的驚人消息，一位作家在釆訪了該國著名的天體物理學家後獲知，宇宙的長度為1560億光年。在這項新的研究中，研究人員檢測了大爆炸之後，遺留在廣漠宇宙中的原初輻射。他們得出結論：在宇宙中可能存在著一些神奇的宇宙“鏡室”，使得一個物體在兩個地方都能夠看到。

因為這樣一種結論，他們成了“球形宇宙論”的支持者。

長度為1560億光年？宇宙的大小為什麼是一個你從未聽說過的數字？他們的解釋是這樣的：宇宙的年齡大約是137億年。光從最早已知的星系到達我們地球要穿行130億年以上。因此我們可以假定宇宙的半徑是137億光年，那麼整個宇宙的長度是宇宙半徑的2倍，即274億光年。但是自創生以來一直在不斷的膨脹，并且理論學家相信宇宙起源於一個密度無限大的點。

美國蒙大拿州立大學的天體物理學家尼爾﹒科尼什教授解釋說：“早期宇宙中光所穿行的距離隨宇宙的膨脹而增大，就像銀行中的復利一樣。”他建議，可以想象宇宙從誕生後只有100萬年的年齡。光穿行一年，所覆蓋的距離1光年。他說：“那時宇宙的大小比現在小大約1000倍，因此1光年伸展到現在是1000光年。”所有距離加起來是780億光年。他說，光還沒有穿行那麼遠，“但是穿行137億年到達我們地球的光子的起點到現在是780億光年遠。這是宇宙的半徑，那麼直徑是156億光年。這只是基於光線返回時所用時間的95%，因此宇宙實際的長度可能會更長一些。

科學家研究了大爆炸後38萬年時形成的宇宙微波背景輻射(CMB)，這時宇宙充分地膨脹并冷卻以致形成了原子的物質。在天空中不同方向這種輻射溫度的差別可以用來提示宇宙的年齡和約束許多重要的宇宙學參量。宇宙微波背景輻射是宇宙嬰兒時的圖像，這時還沒有恆星的形成。美國《物理評論通訊》在2004年5月21日發表了這項新的研究工作，其焦點在於利用宇宙微波背景輻射數據尋找表明宇宙像鏡室一樣成對圓球現象。據此，宇宙中同一個物體的多個圖像可以在與時空中不同的地方呈現出來。鏡室效應可能意味著宇宙本來是有限的，但卻產生宇宙是無限的感覺。他告訴記者,“沒有跡象表明宇宙是有限的，但是也沒有證明它是無限的。”

宇宙結構的爭論，宇宙是球形的，馬鞍形的，還是平坦的？

關於宇宙的結構和未來，現代宇宙學說認為，如果宇宙總質量大於某一臨界質量，那麼宇宙的結構是球形的，并且總有一天會在引力作用下收縮。如果宇宙總質量小於臨界質量，那麼宇宙的結構是馬鞍形的，宇宙內部的引力無法抵消宇宙膨脹的速度而使宇宙一直膨脹下去。如果宇宙總質量恰好等於臨界質量，那麼宇宙的結構是平坦的，宇宙也將像現在這樣一直膨脹下去。宇宙的結構實際上是時間和空間的結構，普通人很難想像。不過科學家提出一個衡量宇宙結構的標准：如果兩束平行光線越來越近，那麼宇宙結構是球形的﹔如果兩束平行光線越來越遠，那麼宇宙結構是馬鞍型的﹔如果兩束平行光線永遠平行下去，那麼宇宙結構則是平坦的。平坦宇宙的結構可以用歐幾里德幾何解釋。

平坦宇宙學的幾個證據。

宇宙結構是平坦的這一結論是參加“銀河系外毫米波輻射和地球物理氣球觀測項目”的多國科學家得出的。這一項目的目的是研究宇宙背景輻射的詳細情況。科學家在1998年底將一些射電天文望遠鏡放置在氦氣球頂部，隨氦氣球上升到距地面約40公里的高空，在那里對特定宇宙區域進行了11天的觀測，獲得了迄今關於宇宙早期輻射最詳實的數據。經過研究，科學家發現，在大尺度上，宇宙最初發出的光線并沒有發生彎曲現象，也就是說當初的兩束平行光線一直保持平行狀態，這說明宇宙結構是平坦的，也就是說宇宙總質量恰好等於臨界質量，宇宙將像現在這樣一直膨脹下去。早在1965年，科學家就已探測到宇宙空間中均勻分布著的宇宙背景輻射，其溫度為零下270攝氏度。大爆炸學說認為，這種輻射是宇宙大爆炸後的“余燼”。從這些“余燼”中，科學家可以推測大爆炸初期的情景

1991年，美國宇宙背景探測衛星發現，宇宙背景輻射中存在著微小溫度波動，如同在“余燼”中閃動著的微弱“火光”，這表明那時宇宙內已存在密度非常小的物質云團。正是這些云團逐漸收縮形成了後來的星系。“銀河系外毫米波輻射和地球物理氣球觀測項目”是在該衛星發現的基礎上進行觀測的。此外，分別於1990年4月和1991年4月進入太空的“哈勃”天文望遠鏡和伽馬射線探測器以及其他一些觀測儀器也對宇宙的結構和演化進行了觀測，取得了大量成果。這些成果較為一致地認為宇宙將一直膨脹下去。

人類對宇宙誕生和演化的觀測研究剛剛起步，關於宇宙結構和未來的推測也僅僅是初步結論。未來幾年，科學家計劃發射兩顆衛星更精確地觀測宇宙早期輻射的情況，此外，科學家還將釆取其他多種手段觀測宇宙，宇宙誕生和結構之謎將被進一步揭開。

古往今來

現代宇宙學
7世紀，牛頓開創用力學方法研究宇宙學的途徑，建立經典宇宙學。1917年愛因斯坦根據廣義相對論建立了一個“靜止、有限、無界”的宇宙模型，引進宇宙學原理、彎曲時空等概念，從而開創了現代宇宙學研究的時代。1922年蘇聯數學家弗里德曼探討非靜態宇宙及宇宙膨脹的可能性。1927年比利時主教、天文學家勒梅特提出均勻各向同性膨脹宇宙學模型。1932年勒梅特提出“原始原子”爆炸形成宇宙的概念。1948年美國天文學家伽莫夫發展勒梅特思想，奠定大爆炸宇宙論的基礎。