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 茶余饭后聊聊科学 （3） |
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Mew2
[个人文集]
加入时间: 2004/02/14
文章: 5070
经验值: 33
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作者：Mew2 在 寒山小径 发贴, 来自 http://www.hjclub.org
我们在前两帖里谈了我们能看到的宇宙的总体图象，缺了许多细节，所
以现在回来谈谈细节。
我们的宇宙有多大，前面已经说过了，反正够光走一百亿年的。能够知
道这一点，已经是上世纪天文学了不起的成就了。如果用天文学中的距
离和时间来量度人类文明和科学的发展，你不得不惊叹人类的发展是何
等的迅速，不信的话，我们下面有机会就做个比较。
两千多年前，西方对宇宙的正统看法是亚里士多德和托勒密的看法，认
为地球是宇宙的中心，太阳、月亮和其它天体绕著地球转。这个看法本
身并没有太大的问题，因为运动本来是相对的，是你绕著我转还是我绕
著你转没有关系。到了将近五百年前，哥白尼说应当是地球和行星都绕
著太阳转，这个发现被认为是了不起的发现。哥白尼的转法和托勒密的
转法还是有点不同，因为有人可能误认为太阳每天绕地球转一次，其实
那是地球自转一次，地球绕太阳要一年的时间。关键还不在这种可能出
现的常识错误，而在於当我们将地球看作是绕太阳转了，我们其实在动
力学上的认识进了一步：太阳静止的那个参照系比较特别，就是那个惯
性定律满足得更好的参照系。
太阳离我们不太远，光只要走八分钟左右就到了地球，也就半盏茶的工
夫。那么太阳系有多大？如果我们将九大行星最外面的冥王星看成是太
阳系的边缘，那么光走完太阳系的半径要五个多小时，半天的工夫。真
正大的是银河系，这个巨大的星系中有一千亿个太阳，而尺度更是吓人：
光走过整个银河系要十万年。想想看，从猿人到现代人类不过几十万年
（就是说，从一个猴子到获得博士学位只花了一百万年左右），而在我
们的五千年文明史期间，光只走过了银河系的二十分之一。地球是挺大
的吧，可是光绕地球一周只要十分之一秒多一些。
当我们仰望星空时，我们看到不计其数的星星，其实只有银河系之内的
才真正是星星，我们看到的许多星星实际上和银河一样，是星系。由于
这些成千上万的星系离得我们太远，看起来才象发光的点一样。如果用
望远镜，可以看到更多的星系。
上个世纪人们花了很多时间才搞清楚，我们的宇宙在极大的范围里的确
是均匀的，可是在某个尺度以下却不均匀，有所谓等级成团的现象。这
个均匀的尺度当然非常巨大，大约是一亿秒差距（一秒差距是三光年）。
当然第一级成团是类似太阳系或者更简单的星星而已，接著是星系。星
系与星系之间的距离大概是五百万秒差距（一千五百万光年），星系又
形成所谓的星系团，这些星系团是由万有引力的作用成团的。星系团之
间的距离大约是两千五百万秒差距。在星系团之上，还有更大的结构，
就是超星系团。但超星团的形成与引力本身无关，可能要追溯到宇宙的
非常非常的早期。
我们原则上能看到的宇宙是一百亿光年的大小，而在这个尺度上宇宙早
已是均匀的，所以，爱因斯坦当年的所谓宇宙学原理是成立的。什么是
宇宙学原理？这是一个假设，为后来的天文观测所支持, 爱氏假定，宇
宙的物质分布是均匀的，而且在每个方向上都一样。这是一种彻底排除
任何宇宙中心的一种假定。
宇宙从能看到的星系的角度来看是均匀的，其实，从另一个角度就更加
均匀。这另一个角度和天上的光辐射有关，我们后面很快就提到。
一定会有人问，虽然我们能够看到的宇宙是均匀的，你怎么知道宇宙真
正是均匀的？因为可能有许多我们看不到的地方。这是个非常好的问题，
对这个问题的回答有两种。一种比较客观，对啊，你说的不错，宇宙可
能有许多我们看不到的地方，而且还有我们原则上看不到的地方，那些
地方的情况我们不清楚，但不妨碍我们应用爱因斯坦的理论，因为他的
理论用在我们看到的地方就足够我们反演宇宙的历史了。另一种比较实
证主义，我可以回答说，那些看不到的、原则上看不到的（就是说，无
论技术如何进步，物理原理告诉我们原则上看不到），关我们什么事？
观测不到的东西对我来说不存在，我只关心我能看到的；这是物理世界，
我所要做到的是建立一个物理理论来解释我们看到的世界。这两种看法
都为物理界接受，其实持后一种看法的人不在少数。我就倾向于后一种
看法，因为这和我们在物理世界中排除上帝存在的方法是同一种方法。
由於等级成团的关系，越到大尺度上，物质的密度越小。地球是通常的
物质状态，以水为例，一立方厘米里有一克的水。化成纯粹的质量，相
当于一立方厘米中含有五乘十的二十三次方个质子。太阳系中的物质大
部分在太阳中，用我们前面说的太阳系半径来算，太阳系的物质密度是
每立方厘米中有一万亿个质子。一万亿个质子看起来是很大的数目，如
果化成克，就很小了，大约是每立方厘米中有一万亿分之一克。再看银
河系的密度，大约是每立方厘米中只有一个质子。最后，整个宇宙的平
均密度就更小，大约是每立方米中才有一个质子。所以，我们的宇宙真
是一个空空的宇宙，空得令人不寒而栗。
如果宇宙不是这么空，宇宙就不可能有这么大。虽然爱因斯坦的理论很
复杂，但我们还是可以做一个大概的估计，宇宙的半径和物质的密度的
平方根成反比。我们来看看，假如宇宙中的物质密度不是每立方米中才
有一个质子，假如物质的密度和太阳系的物质密度一样大的话（和我们
通常看到的物质密度相比，这已经很小很小了），那么宇宙的半径只有
十光年，而不是一百亿光年，从而宇宙的年龄和一个小学生差不多。假
如密度更大些，和地球的密度差不多，那么宇宙的半径光只要走五分钟，
和太阳离我们的距离差不多，这样的宇宙实在太小了。
宇宙在一如既往地膨胀著，作为一般人，很可能最关心宇宙的未来会是
什么样子。作为宇宙学家，关心的问题恰恰相反，他们最关心宇宙的过
去是什么样子。
将来当然决定于过去。与考古学类似，宇宙学作为一种实证科学，必须
靠研究宇宙史留下的化石，结合我们的物理知识，来“推测”过去。如
果过去不能研究清楚，一些关键的细节不能确定，将来就很难预测。何
况，宇宙尺度上的将来实在是太遥远的将来，与我们的目前没有太大的
关系。不是说过吗，当人类从新石器时代走到网络时代，光只穿过银河
系的二十分之一！
宇宙现在是膨胀著的，过去当然也是膨胀著的，就像一个越来越大的气
球。在宇宙的早期，由於类似三维球的这个空间很小，物质的密度就很
大，温度也就非常高，高到不仅可以融化一般形态的物质，而且会融化
原子核，所以，那个时候我们必须应用核物理的知识来研究宇宙，这样
我们就可以“预言”宇宙中各种原子核所占的比重，甚至其它奇怪的物
质形态和其它的粒子。我们下次再介绍这些。
最后，我们必须提一下，我们目前并不能肯定可以看到的宇宙就是我们
上一次介绍过的三维球，很可能不是。有一种可能是，宇宙在更大的、
我们原则上看不到的尺度上完全不同，有这样那样的可能。而相对论告
诉我们，没有比光更快的东西了，所以我们看到的只是光在力所能及的
范围内能告诉我们的。光速有限，从一个很远的地方到我们的地球需要
花时间。越是遥远的东西，我们现在看到的是它过去的形像。而过去宇
宙的密度比今天大，温度比今天高。一定有一个时间，其温度高到光在
里面走不远，也就是不透明的。那个时代，是我们能看到的极限。光从
那个时代走到现在的距离，叫做粒子视界（多么奇怪的名字）。粒子视
界之外的世界如何，我们不得而知。
作者：Mew2 在 寒山小径 发贴, 来自 http://www.hjclub.org |
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