漫聊合集 宇宙的結構和尺度

如果你在一個晴朗的日子裏爬上山頂 你會爲美景而驚歎 你有機會一覽綿延數千米的大好風光 這種體驗肯定讓你印象深刻 因爲就在早晨喝咖啡的時候 你從家裏的窗戶只能看到幾米遠的景色 除非你是擁有頂層豪宅的億萬富翁 也許你家跟旁邊那棟樓就近得不得了 然而每天晚上當你仰望星空的時候 你會看到更加宏大的景象 你可以凝望幾十億公里以外的深空 每一顆星星都像宇宙海洋中的一座小島 仰望無邊無際的星空的時候 你會看到無數會發光的小島漂浮在空中的奇景 在這片廣袤的星辰大海之中 你所居住的地方只是地球這座小島的一個小小的角落 這樣的情景如果仔細想一想或許會讓你恍惚 這種景象之所以能夠出現 是因爲宇宙大的令人難以置信 並且大部分的地方都是空曠無比的 如果宇宙中的星星彼此靠得更近 夜空就會變得更加明亮 人在夜裏入睡也會變得更加困難 如果星星之間離得更遠 夜空就會暗得令人壓抑 我們對宇宙其他地方的瞭解也會變得更少 另外如果太空不是那麼的透明 這樣的美景將被籠罩在迷霧之中 我們甚至難以認清地球在宇宙的哪個地方 令人欣喜的是 太陽發射的光能夠很好的穿透星際氣體和塵埃 我們的眼睛也很擅長接受這種光 儘管紅外線和波長更長的電磁波 穿透力更強 當然了這句話其實應該反過來說 正是因爲太陽主要發射的這個波長的光 我們生活在太陽系的生物 纔會進化出擅長接收這種光的眼睛 那即使不是億萬富翁 我們也都是非常幸運的人 因爲我們都能看到太空的深處 但是看到並不意味着就能夠了解 我們的祖先跟我們看到的情景是一樣的 但是他們得出了很多錯誤的結論 在史前時代 最富有的人也對身邊的偉大知識一無所知 而今天在望遠鏡和現代物理學的幫助之下 人們可以深入的探索太空 並且瞭解人類在宇宙裏的位置 瞭解恆星和星系的分佈 但是我們對宇宙的瞭解並不比古人多很多 已知的一切只會讓我們提出更多的問題 在我們看不到的地方會有更多的星星嗎 宇宙到底有多大呢 這也就是這一小節我們要講的主題 宇宙的大小還有它的結構 現在你正在地球的某個地方聽我講這個節目 具體的地點不太重要 也許你正在坐在沙發上 也許你正在一個高鐵上 也許正躺在牀上 在宇宙的宏大尺度之下 這些細枝末節都變得無關緊要了 哪怕你真的是個土豪 哪怕你擁有自己的一個空間站 我們的地球和它的七個姐妹行星圍繞着太陽旋轉 太陽是圍繞着銀河系的中心旋轉 我們的星系是一個巨大的盤狀渦旋星系 明亮的中心延伸出幾條旋臂 我們大概是位於銀河系其中的一條旋臂的中間 我們的太陽是銀河系裏上千億顆恆星中的一元 它既不是最古老的 也不是最年輕的 既不是最大的 也不是最小的 當你在夜晚仰望群星的時候 你能看到的基本都是這條旋臂上的恆星 從宇宙的尺度看 它們其實是我們的鄰居 在晴朗的夜晚 如果遠離光污染的話 你會看得足夠遠 可以看到星系盤的其他部分 它看起來像一條很寬的帶子 其中密密麻麻的佈滿了恆星 好像潑在天空中的牛奶 你在夜空中看到的一切 差不多都屬於我們的星系 因爲它們最近最明亮 根據最新的消息 宇宙的其他部分密佈着其他的星系 目前人們沒有發現漂浮在星系之間的孤星 100年前 天文學家還以爲恆星均勻的點綴在太空裏 他們不知道恆星會聚集在一起形成星系 直到建造了威力足夠強大的望遠鏡 人們才明白 那些模糊的遙遠的天體究竟是什麼 人們原本以爲 自己生活的星系就是整個宇宙了 結果卻發現 它只是宇宙中可見的數十億星系中的一員 這在當時一定是特別重要的發現 在此之前 人們剛剛發現地球不是宇宙中唯一的星星 而我們的太陽也不過是衆多恆星中的一顆 每一次這樣的發現 都會使我們前進一大步 不過在宇宙的尺度上 這一大步還並不算什麼 最近我們發現 星系在宇宙裏也不是均勻分佈的 它們傾向於聚集在一起 形成鬆散的星系群和星系團 這些呢又組成了更大的超星系團 每個超星系團裏都有數十個星系團 我們所在的超星系團重量 大約是太陽質量的10的15四方倍 但根據我們目前知道的情況 在超星系團的尺度之下 宇宙的結構層次是非常分明的 衛星圍繞着行星轉 行星圍繞着恆星轉 恆星圍繞着星系的中心轉 星系圍繞着它們星系團的中心轉 星系團系統呢 又圍繞着超星系的中心轉 不過奇怪的是 事情就到此爲止了 超星系團不會再形成巨型的星系團 或者是超巨型的星系團 但是它們做了更不可思議的事 它們形成了橫跨數億光年 卻只有數千萬光年後的片狀和纖維狀的結構 這些超星系團構成的片狀結構特別的大 它們彎曲起來 形成不規則的球狀或者絲狀結構 將空蕩蕩的宇宙巨動包裹在其中 那裏沒有星系團也沒有星系 幾乎是什麼東西都沒有 你可以想象超星系團組成的結構 就有點像DNA的雙螺旋鏈 在螺旋鏈的中間就是空的 什麼都沒有 超星系團組織是宇宙中人們已知的最大的結構 如果你繼續放大視野 就會看到橫星 星系 星系團 和超星系團 片狀結構 這一基本模式在其他的地方反覆的出現 而不會看到更大規模的結構 接下來就沒有什麼有趣而複雜的更大的結構了 那些片狀的結構就像隨機散落在地板上的積木 均勻的遍佈宇宙 爲什麼這種模式以這樣的尺度作爲終結呢 超星系團爲什麼不會再形成一個圍繞着什麼東西旋轉的結構呢 爲什麼宇宙到了這個層次就如此均勻了呢 有一件事是顯而易見的 在這樣的尺度下 我們是微不足道的 我們在宇宙裏沒有佔據什麼特殊的地位 我們住的地方也不是什麼核心地帶 在擁有數十億星系 每個星系都有上千億顆恆星的宇宙裏 提到生命和智慧 我們也不一定有那麼特殊 這就引出了一個很有趣的問題 爲什麼宇宙會有這樣的結構呢 以另一種形式存在的宇宙並不是很難想象的東西 爲什麼所有的恆星沒有聚集成一起 形成一個更大的巨星系呢 爲什麼每個星系不是隻有一顆恆星呢 再追問一句 星系它到底爲什麼會存在呢 爲什麼宇宙中的恆星 不能像老房子裏懸浮的塵埃一樣均勻的分佈呢 宇宙似乎可以一開始就是均勻和對稱的 粒子在各個地方有着完全相同的密度 如果這些是真的 那麼我們會得到一個什麼樣的宇宙呢 如果宇宙無限且光滑 那麼每一個粒子在每個方向都會受到相同的力 這意味着沒有一個粒子會被迫向任何方向移動 所有粒子都永遠不會聚集在一起 而宇宙也就是停滯不動的了 那反過來 如果宇宙有限且光滑 那麼每個粒子都將被吸引到一個共同的地方 也就是宇宙質量的中心 那在這兩種情況下 你都不會找到任何聚集在局部的團塊或者結構 宇宙要麼就是均勻的 要麼就要聚集到一處 那關於宇宙如何變得結構變生且不均勻 物理學家有一套不錯的說法 在理論上講 早期宇宙中微小的量子漲落 被時空的快速擴張 拉伸成了無數巨大的褶皺 爲恆星和星系在引力作用下的形成埋下了種子 這個過程也受到了暗物質的助推 並且從某一時刻開始 暗能量將空間拉伸到更遠的地方 你看啊 爲了使今天的宇宙有一定的結構 就需要在它很小的時候 具有某種成團的性質 一旦有了哪怕最微小的質量團塊 一個局部的引力熱點就算出現了 它可以將越來越多的原子拉到一起 並且使它們遠離所有其他原子的引力作用 你可以想象一下 好幾家星巴克咖啡店均勻地分佈在一座城市裏 每一位咖啡愛好者都能被最近的幾家店吸引 但是這些咖啡店和它的距離都差不多 所以它總是猶豫不決 不知道該去哪一家店 然而 如果某一家咖啡店通過沖泡過程中的一點小變化 而製作出了更香醇的咖啡 那麼這一家店就會吸引更多的客人 客人多了就會有更多咖啡店來到同一條街 這又吸引了更多的客人 這樣就造成了一個正反饋的環路 很快就會有那麼一條街 咖啡店特別的多 客人也特別多 如果沒有最初的那個熱點 這一切就無從開始 在早期的宇宙裏 那個最早的熱點 對於今天的恆星和星系結構絕對是至關重要的 那麼在宇宙的嬰兒時期 是什麼造成了第一個熱點呢 我們所知道的講得通的機制 只有量子力學的隨機性 這個不是猜想 而是已經被觀測到的事實 你可以回想一下 我們從宇宙微波背景中看到的宇宙嬰兒期的樣子 它向我們展示了宇宙在從高熱帶電的離子狀態 冷卻爲中性氣態佔主流的時刻 在那幅圖像裏 我們看到的宇宙是均勻的 但也不是完全均勻 一些微小的漣漪體現了早期宇宙裏的量子漲落 在宇宙大爆炸裏 膨脹極大的拉伸了空間 並且將那些微小的漣漪 放大成了時空構造中的巨大的褶皺 接着呀 這些時空褶皺又產生了團塊的聚集和引力的熱點 並且在之後發展出更復雜的結構 總之啊 量子層面上隨機事件的空間 被快速的擴張給放大了 這引發了我們今天所看到的一切 如果沒有暴漲 宇宙看起來會很不一樣 物理學家懷疑 宇宙裏之所以沒有比超星系團的片狀和球狀結構 更大的結構 是因爲引力還沒有足夠的時間 把那些大傢伙拉到一起 事實上 今天宇宙裏的某些部分 直到最近纔開始受到彼此引力的影響 因爲引力作用同樣也受到光速的限制 那未來又會怎麼樣呢 如果暗能量沒有使宇宙不斷的擴張 那麼引力將繼續發揮聚集的作用 由此形成更大的形狀和結構 不過暗能量的影響也很大 宇宙中有兩種互相競爭的作用 引力把事物聚集到一起 暗能量卻要把它們拉開 在這一刻 兩種作用似乎得到了完美的平衡 這意味着我們生活在一個完美的時代 這也讓我們有幸見證了宇宙中這些龐大的結構 那事情真的是這樣嗎 我們生活在這樣一個平衡的時代 真的只是一個巧合嗎 我們人類曾經自以爲很特殊 比如說宇宙是地球的中心 這樣的想法應該讓我們警惕 因爲我們很可能是在安慰自己脆弱的自尊心 根據人類現在掌握的知識 我們似乎生活在一個特殊的時代 但事實是我們也不能確定這一點 因爲我們不敢確定暗能量的未來 如果它繼續將宇宙拉伸 那麼星系和超星系團就不會有足夠的時間聚集成更有意思的結構 但如果暗能量有所改變 那麼引力就有機會把宇宙中的事物拉到一起 那我們說宇宙之所以有結構 是因爲量子漲落帶來了最初的密度褶皺 後來又被暴漲給放大了 從而爲我們當前宇宙的形成埋下了一個種子 但是這些種子又是怎樣長大成爲了我們所看到的行星、恆星還有星系呢 這裏面的關鍵就是引力和壓力之間的平衡 在宇宙大爆炸之後大概40萬年間 宇宙還是一個有着微小密度褶皺的赤熱的中性氣團 引力就是在這個時候開始行動的 這個時候每一樣東西都是中性的 這個非常重要 所有其他的作用力都在這一點上達到平衡 強核力使夸克結合成了質子和中子 電磁力把質子和電子拉到一起形成了中性的原子 但是引力既不能被平衡也不能被抵消 它是非常有耐心的 在漫長的億萬年間 這些空間力的褶皺吸引周圍的氣體 形成了越發緻密的團塊 宇宙已經存在了很長時間了 你可能想知道 爲什麼引力還沒有把所有的東西聚集成一個大的團塊 形成超大的恆星、巨大的黑洞 甚至是巨型的星系呢 事情是這樣的 宇宙中剛好有足夠的物質和能量 可以讓引力把空間變平 空間不會彎曲到足夠使所有的事物重新聚集到一起 記住啊 暗能量在使空間擴張 所以最終的結果是 在大尺度上 事物都在相互遠離 即便是註定無法贏得這場拔河比賽 引力仍然取得了局部的勝利 在最初的密度褶皺裏形成的氣體和塵埃成爲了團塊 只不過這些團塊在整個宇宙中是分散的 如果引力把這些氣體和塵埃的團塊拉到一起 會發生什麼呢 這個取決於這些團塊有多大 一小團物質的引力只能形成像小行星啊 大岩石啊 或者乾脆就是個冰綱的 這些東西之所以沒有在引力的作用下 塌縮成一個小點 是因爲它們還有來自內部的壓力 岩石裏原子不願意擠得太擠 它們會反抗 如果你想把一塊岩石擠成一枚鑽石 那可很不容易 這些東西最終的狀態 是引力和壓力之間達到平衡的結果 那質量更大的東西 比如說像地球那麼大的行星 它的引力足夠把中心的岩石和金屬壓縮成融化的岩漿 地球中心滾燙的岩漿就是這麼產生的 如果你想嘲笑引力不夠強 不如先問問自己 是不是有能力把岩石擠成灼熱的岩漿 那如果有一團足夠大的物質 引力還可以通過熾熱的離子態 把這團物質變成一顆橫行 橫行從本質上說 就是處於不斷爆炸狀態的熱核彈 唯一能使它們不散架的就是引力 引力或許很弱小 但是可以把足夠多的物質聚集到一起 產生不斷爆炸的核彈 並且讓它維持數十億年之久 這些橫行之所以沒有立即探索成更緻密的天體 是因爲它的內部有壓力 一旦燃料消耗殆盡 無法再提供對抗引力的壓力 橫行就會探索成黑洞 我們前面的節目裏說過 宇宙裏大部分質量 不是用來形成行星或者橫行的那些物質 大概有80%的質量是以暗物質的形式存在的 暗物質可能具有我們不太瞭解的作用 但我們可以肯定的是 它的質量對引力效應是有貢獻的 但是暗物質沒有電磁力和強核力 所以在它內部沒有用來對抗引力的壓力 它會像普通物質那樣聚集到一起 但是會持續地聚集下去 形成巨大的暗物質團 在有暗物質團形成的地方 普通的物質會被強大的引力拉進去 事實上 目前人們認爲 是暗物質讓宇宙更快地形成了早期的星系 在沒有暗物質的宇宙裏 最初的星系需要花好幾十億年的時間才能形成 然而我們現在看到的星系 在宇宙大爆炸之後僅僅幾億年就形成了 這個可真的要感謝暗物質 星系也會被引力拉到一起 但是它們有很多不同的壓力可以對抗引力 所以不會坍縮成巨大的黑洞 具體的情況因星系而各異 漩渦星系沒有坍縮 是因爲它們旋轉的非常快 角動量能夠有效地使所有恆星保持距離 這也是暗物質沒有坍縮成更稠密團塊的原因 暗物質粒子的速度和角動量 使引力很難把它們拉到一起 所以我們看到的宇宙 充滿了由超星系團構成的巨大片狀和球狀的結構 其中每個星系都有數千億顆恆星在圍繞着黑洞旋轉 還有很多氣體、塵埃和行星 至少一顆行星上居住着人類 我們正在仰望群星並且思考自己的存在 但是這樣的情景會延伸到多遠的地方呢? 這些巨大的片狀和球狀的結構會永遠延伸下去嗎? 或者宇宙中所有的物質 更像是虛空之中的孤島或者是一片大陸呢? 宇宙它到底有多大呢? 如果我們能以極快的速度飛過整個宇宙 那麼我們會更清楚地知道物質在宇宙中是如何排布的 更重要的是我們可能知道宇宙能延伸到多遠的地方 可是遺憾的是我們飛不了很快 我們在宇宙中移動的速度是有上限的 這意味着在開發出區域引擎之前 我們只能試着從遼闊的外部世界來到地球的信息來回答這些問題 來自外太空的光讓我們看到了怪異而美麗的宇宙畫面 但是光只有138億年的時間可以抵達到我們這裏 這意味着在138億光年之外 任何物體對我們來說都是不可見的 可能有星系那麼大的藍色巨龍在我們的視線之外又活蹦亂跳的 但是我們卻並不知道 當然沒有證據能表明這樣的龍存在 但是我們視野之外的東西又有多大可能跟在我們身邊的東西是一樣的呢 又有誰規定138億光年之外的宇宙 必須和我們能看到的宇宙是一模一樣的呢 可觀測的宇宙是非常大的 我們看不到外面有什麼 但我們仍然能想象它有多大 以下是幾種可能 第一種可能 因爲沒有什麼能跑得比光速還快 所以可觀測宇宙的半徑一定是宇宙的年齡和光速的乘積 也就是138億光年 第二種可能 是因爲空間本身可以擴張的比光速還快 所以我們可以看到原本在我們視野之中 後來又超越了我們視野的東西 據推算可觀測宇宙的半徑最大是465億光年 也就是宇宙的年齡乘以光速再加上時空的擴張程度 目前在科學家的普遍共識裏 第二種可能性是正確的 因爲空間在擴張 所以我們能看到那些曾經離我們比較近的東西 可觀測的宇宙要比光速乘以宇宙的年齡要大得多 這個就是我們可以看到的宇宙 好消息是 我們可以看到幾十億個星系裏 大概10的21次方可恆星 另外一個好消息是 可觀測宇宙的半徑在以每年至少一光年的速度增長 按體積算可觀測宇宙的增長更加驚人 因爲每年增長的空間都比上一年更大 你永遠也不會有機會踏足的絕美星系 已經多得讓你無法理解了 但是事情也沒有那麼簡單 宇宙萬物都在遠離我們 與此同時空間本身也在擴張 有一些東西和我們的距離增加的太快 來自它們的光永遠也無法到達我們這裏 換句話說 可觀測宇宙可能永遠也無法追上真實的宇宙 這意味着我們可能永遠也看不到宇宙中所有的東西 壞消息是 我們不知道宇宙的確切範圍 事實上我們可能永遠也不會知道 宇宙到底有多大 我們只能來猜一猜 也許宇宙的大小是有限的 只不過空間的擴張讓我們無法看到宇宙的邊界 一些科學家研究了這種可能性 並且試圖通過聽起來合理的假設 來估計宇宙的大小 反正也沒有人知道比10的20次方更大的數字是個什麼概念 所以你基本上可以隨便猜一個數 但是瞎猜的數其實也沒有什麼意義 如果有人告訴你說 你房子的面積在200平米到10的23次方平米之間 那你立馬就能知道他是在瞎猜 如果宇宙的確是彎曲的 那麼空間也許就像球體的表面 屬於三維甚至更高的維度 在那種情況下 空間本身就是有限的 它繞着自己轉了一個大圈 朝着一個方向前進 並且最終回到了出發的地方 這個可能聽起來有點讓人震驚 但我們至少知道宇宙是有限的而不是無限的 這一點在數學上是可能並且是自洽的 如果真的是這樣的話 那光在這樣的宇宙裏也許會繞圈 甚至可能不止一次的經過地球 這意味着你會在天空中多次看到同樣的天體 這個天體的光每繞着宇宙轉一圈 你就會看到它一次 不過遺憾的是 科學家試圖在星系結構和宇宙微波背景中 尋找這樣的效應卻沒有發現任何證據 如果宇宙是有限的並且光會繞圈 那這個圈一定是比我們能看到的部分要大得多 當然了空間更大的可能就是它本身是無限的 它所容納的物質和能量當然也是無限的 但是你仔細想想 這是一個令人匪夷所思的可能 因爲無限是一個奇怪的概念 這意味着宇宙中的各個角落 正在發生着一切可能發生的事情 一件事不管有多離奇 只要它發生的可能性不爲零 它就能發生 在無限的宇宙裏 有某一個跟你非常像的人 此時此刻卻幹着另外一件事 想要知道一件事 在無限的宇宙中可能發生多少次 你只需要用它發生的概率乘以無窮大就好 任何事只要它的概率不爲零 它就一定會發生 而且會發生無窮多次 也就是說無限的宇宙中 不僅會有和我們一模一樣的地球 而且還會有無數多個這樣的地球 但是無限宇宙中的景象和我們看到的一切相符嗎? 無限宇宙也是通過大爆炸形成的嗎? 如果你把腦洞再開大一點 可以想象宇宙大爆炸是同時發生在各個地方的 而不是從一個點炸開的 就有點像放一排炮竹一個一個的炸開 當然腦洞再繼續開下去 就不屬於我們科普節目的範疇了 我們往回收一收 那另外一個關於宇宙結構的重要謎題是 宇宙爲什麼這麼空? 爲什麼恆星和行星之間會有這麼大的距離? 太陽系的寬度大概是90億公里 離我們最近的恆星大概在四光年遠的地方 我們的銀河系大概是十萬光年寬 離我們最近的仙女座星系 卻大約在250萬光年遠的地方 無論空間有多大 也無論它是什麼形狀 宇宙中都有足夠的地方 讓各種東西離得更近一些 但這些東西偏偏離得這麼遠 仔細想一下的話 空曠其實只是一個角度的問題 我們可以把這個問題劃分成兩個不同的問題 第一個問題是 爲什麼我們不能比光速更快? 第二個問題是 爲什麼空間會因爲宇宙大爆炸膨脹至今? 光速是我們在宇宙中衡量遠近的標識 如果光速比現在快得多 那我們就能看得更遠 並且前進得更快 那宇宙中的事物看起來也就不會那麼遠了 如果光速比現在要慢 那我們就更不可能造訪附近的恆星了 另一方面呢 我們也不能全怪光速 如果宇宙大爆炸沒有讓空間在一瞬間膨脹得太多 那麼今天的萬事萬物都將離得更近 如果暗能量沒有把一切都推得越來越遠 那麼星際旅行的前景也不會每時每刻都變得更加暗淡 我們可以想象一個適當膨脹的宇宙 那個宇宙不會像我們宇宙一樣大的離譜 所以啊 宇宙的空曠最終要歸於兩個量的作用 一個是決定了距離尺度的光速 另一個是把萬事萬物都拉得更遠的空間膨脹 我們不知道它們爲什麼是現在這樣 但如果你對它們做出了更改 你就能得到一個和我們宇宙看起來截然不同的另外一個宇宙 我們有這麼多巨大的謎團 但只有一個宇宙可以研究 所以啊 我們不知道這是不是宇宙組織起來的唯一方式 我們不知道別的宇宙會不會有非常小的膨脹 那裏的人會不會比我們更加彼此親近 當你在深夜仰望星空的時候 別忘了反思這個事實 我們關於宇宙大小和結構的所有知識 都來自於我們在地球上所能看到的光 當然 我們已經向其他星系派出了探測器 也向太空發射瞭望遠鏡 甚至還把人送上了月球 但是從宇宙的角度來看 我們基本上只是在原地打轉 我們對宇宙的瞭解全部都基於我們從宇宙的某個角落 進行的觀察和猜測 處在這樣一個普通的位置 我們已經回答了一些年代久遠的問題 比如說天上的星星是什麼 它們爲什麼會移動 爲什麼會這樣移動 也糾正了一些長期存在的錯誤觀念 比如我們處在宇宙的中心 但是然後呢 我們的宇宙是有限的還是無限的呢 幾十億年之後 宇宙的結構會發生什麼變化 這些問題的答案將大大影響我們對宇宙和人類自身的看法 這一期節目咱們聊到這 最後呢 我給你推薦一部紀錄片叫旅行到宇宙盡頭 那部片子就是從地球上一個小小的角落出發 先看一看月亮太陽 我們熟悉的各大行星 再慢慢飛出太陽系 再飛出整個銀河系 最後去看那些超大的片狀結構 當時啊 我是出差的時候 一個人在酒店 把酒店的燈都關了 喝着啤酒 一個人坐在電腦前靜靜的看完了整部紀錄片 當時給我帶來的那種空靈和震撼 真的到今天還印象深刻 如果你有時間有條件 一定要搜來看一看 好了 今天的內容咱們就說到這 下一期咱們接着聊