芥子须弥，宇宙究竟有多大？
2016/12/9 科学大院
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作者：何治宏(中国科学院紫金山天文台)
从百亿光年说起
宇宙一直越来越大，它在均匀地向各个方向膨胀——想象一下，一根正在被拉长的皮筋(一维)，或者正在吹胀的气球(二维)，表面上任意两点在被拉长或吹胀的过程中互相都在分开：
三维的空间以类似的方式膨胀，所以经过137亿年的演化，现在的宇宙有这么大了：
(图片引自“Observable universe”黄色箭头所指：可观测宇宙的边界，直径930亿光年)
注意，这只是我们“看”上去宇宙的样子，事实上，在宇宙中别的地方看宇宙，能看到的物质差不多都一样，只是角度有些许改变罢了，就像中国的世界地图和澳大利亚的世界地图都以自己国家为中心，而世界的整体并没有变化一样。
不过宇宙还在继续膨胀，甚至加速膨胀，那么可观测宇宙会越来越广袤么？
答案是会，当然会!
但是，回到那个膨胀的气球那里：
若一秒钟内气球的半径从1米吹胀到2米，那么AB间的弧长(π×半径)增长了3米，而AC只增长了1.5米——也就是说，在这个以1米每秒膨胀的气球上，A与C分开速度是1.5米每秒，AB两地之间分开的速度是AC的两倍——是3米每秒。
这也是人们发现宇宙在膨胀的原因，在宇宙中与我们距离越远的地方，同我们分开的速度就越快(这被称为哈勃定律“Hubble's law”)。
由此，聪明的你一定想得到：距离到了一定程度，分开的速度就会超过光速——意味着我们永远看不到那儿了。
所以，距离我们超过620亿光年以外的地方，那儿的广袤就与人类无关了，因为那里我们永远看不到。
宇宙已经很大，以我们人类的智慧，有些地方来不及看就再也看不到。
再想一想，如果宇宙就这样膨胀，而且是在均匀地膨胀，那么宇宙就是均匀的，如此一来，在这个巨大的宇宙中我们就只能体会到它的广袤，而不会有空旷的感受。但事实上，望远镜观测到的宇宙万物是疏密相间，其形各异的，这是为啥呢？
之所以有空旷的感受，是因为我们足够渺小呀。
刚才说的宇宙，动辄就是数百亿光年的尺度，那要到什么程度，我们才能感到“宇宙是疏密相间”这样的对比，也就是说看到外界能感受到自身的渺小呢？
三亿光年——宇宙的空旷
观测表明，在大概3亿光年的尺度上，宇宙看上去是均匀的(引自Observable universe)。在这里贴一张更直观的模拟的结果图，大家看这一整块图和它一步步的放大，大致能反映出宇宙的结构从均匀到空洞/丝状体/片状体/小结构......观测尺度越小，观测范围内的宇宙就越不均匀：
(图片引自Millennium Simulation)
所以，这也就是当今宇宙的“最大空旷程度”，因为，以这么大的体量的视野来打量整个世界，可以发现到哪里几乎都是一模一样。只有往更小了看，才能体会到差异。
空旷中的拥挤——千万光年
银河之外，哈勃望远镜让我们看到了千亿个星系，它们不是均匀分散在宇宙之中，而是成百上千个星系抱作一团，尺度有数百万甚至千万光年。
(图片引自Galaxy cluster)
睁大眼睛，看那些细长条状的，碟状的，或有弯曲的轮子状的，那些都来自同一个星系团，整个画面上足足有数百个星系，而每一个星系，又包含着成百上千亿颗恒星。
十万光年——星系的尺度
从上空俯瞰，星系长这个样子，下图是与我们银河系类似的一个旋涡星系：
(图片引自Galaxy)
从侧面看上去，它类似这个样子：
(图片引自Galaxy)
所以你看，这些直径可以达到十万光年级别的旋涡星系，实际上就是一个薄薄的盘子。因此，作为“盘子”中的一员，在我们在地球上看到的银河就是一条带状：
(2015.9摄于青海德令哈)
然后，镜头再次拉远，看看我们银河系的大邻居：
(图片引自Andromeda Galaxy)
这是距离我们最近的一个大星系——仙女星系，她正以秒速110公里朝银河系款款走来，即便她与银河系有254万光年的距离，但在40亿年后，这两个星系还是有可能碰上，并且，这种星系碰星系的事情再正常不过，我们银河系现在也在吞噬着邻近小星系。
不过别担心，对于普通的恒星来说，星系碰撞就是神仙打架而已，毕竟星星们之间的缝隙太大了。
十光年——星与星的距离
那些发光发亮的星星们之间平均下来都有10光年=632710au(注：1au≈1.5亿公里)的空隙!
比如离我们较近的比邻星，4.2光年；还有在神话故事和电影小说里大放异彩的织女星：
(天顶的织女星Vega，在有云雾的夜晚，亮度依然很显眼)
她足足有26光年之远!虽然，地球的无线电波已覆盖这个星球五十余载，但这个尺度，对于太阳系这样的恒星系来说，简直太远，因为：100au——这是太阳系的尺度，这也是我们能够去真实探索到的“宇宙之大”。
让我们这样看看它：
(1990年2月14日，“旅行者1号”飞船飞到了距离地球大约40au。控制中心让它回过头最后看一眼它的故乡“地球”时所拍，箭头所指小亮点就是地球)
文章的最后，让我们以萨根的一段话来结束：
再看看那个光点，它就在这里。那是我们的家园，我们的一切。你所爱的每一个人，你认识的每一个人，你听说过的每一个人，曾经有过的每一个人，都在它上面度过他们的一生。我们的欢乐与痛苦聚集在一起，数以千计的自以为是的宗教、意识形态和经济学说，所有的猎人与强盗、英雄与懦夫、文明的缔造者与毁灭者、国王与农夫、年轻的情侣、母亲与父亲、满怀希望的孩子、发明家和探险家、德高望重的教师、腐败的政客、超级明星、最高领袖、人类历史上的每一个圣人与罪犯，都住在这里——在一粒悬浮在阳光中的微尘之上。
——卡尔·萨根
(中科院紫金山天文台供稿，转载请注明出处并保留下方二维码)
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