芥子须弥，宇宙究竟有多大？

（原标题：芥子须弥，宇宙究竟有多大？）

作者：何治宏（中国科学院紫金山天文台）

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？

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。

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。

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。

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：