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3 走向未知的边界

哈勃博士利用这种方法估算遥远星系的距离,结果证明,在我们目力(包括最强大的望远镜)所及的范围内,太空中的星系大体均匀分布。我们之所以说“大体均匀”,是因为星系常常聚集成团,一个星系团可能拥有上千个星系,就像星系内部也有无数独立的星团。

我们的银河系属于一个相对较小的星系团。这个大家庭由三个旋涡星系(包括银河系和仙女座星云)、六个椭圆星系和四个不规则星系(包括大小麦哲伦云)组成。

不过,根据帕洛马山天文台那台200英寸望远镜的观察结果,除了偶尔出现的星系团以外,独立星系大致均匀地分布在空间中,一路绵延到10亿光年以外。两个相邻星系之间的平均距离约为5,000,000光年,宇宙可见的边界中大约包含了几十亿个独立星系!

我们不妨沿用先前的比方,如果说帝国大厦的尺寸相当于细菌,地球相当于一粒豌豆,太阳相当于一个南瓜,那么众多星系就是大致分布在木星轨道内的数以十亿计的一大堆南瓜,还有大大小小的南瓜群落散布在直径略小于太阳与最近恒星距离的球形空间内。是的,我们很难找到合适的尺度来形容宇宙中的距离,即使将地球比作豌豆,已知宇宙的尺寸也是一个天文数字!在图116中,我们试图让你直观地体会到,天文学家如何一步步拓展我们对宇宙的认识:从地球到月亮,到太阳,再到恒星、遥远的星系和未知的边界。

现在,我们打算回答一下关于宇宙尺寸的基本问题。宇宙到底是有限的还是无限的?随着望远镜技术的不断进步,天文学家求知若渴的眼睛是否总能发现宇宙中全新的处女地?或者反过来说,我们是否应该相信,宇宙虽大,但终归有限,至少从理论上说,我们早晚会看到最后一颗新的星星?

谈到宇宙“有限”,我们当然不是说探索者可能在几十亿光年外看到一堵高墙,上面写着“禁止通行”。

事实上,在第三章中我们已经看到,空间可能是有限无界的。弯曲的空间可能形成自我封闭的结构,假设有一位太空探险家开着火箭飞船沿直线(测地线)一路往前飞,那他最后没准会回到原地。

当然,这就像某位古希腊探险家从家乡雅典出发,一路向西而行,当这段漫长的旅程结束时,他发现自己走进了雅典城东边的城门。

我们无须周游世界,只需要研究相对较小的一片区域的几何特性,就能证明地球表面是弯曲的;那么借助类似的办法,现有的望远镜足以帮助我们弄清三维宇宙空间是否弯曲。在第五章中我们已经看到,弯曲分为两种:正曲率对应的是体积有限的封闭空间,而负曲率对应的是马鞍形的开放无限空间。这两种空间的差异在于,在封闭空间中,观察者周围一定半径范围内均匀分布的物体数量增长的速度远小于半径的三次方,开放空间则与此相反。

在我们这个宇宙里,“均匀分布的物体”指的自然是独立的星系,所以要回答宇宙的曲率问题,我们只需要数数不同距离范围内的星系数量。

哈勃博士真的统计了这方面的数据,结果发现,星系数量增长的速度似乎比距离的三次方慢一些。这意味着我们的宇宙是个曲率为正的有限空间。但这里必须提到的是,哈勃观察到的这种效应非常微弱,只有在靠近威尔逊山天文台那台100英寸望远镜的视线尽头时才有一点儿征兆,近期天文学家利用帕洛马山那台新的200英寸反射式望远镜所做的观测也无助于解决这个重要问题。

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