作者：黃姤
如果你在一個晴朗的日子裡爬上山頂，你會為美景而驚嘆，你有機會一覽綿延數千米的大好風景，這種體驗肯定讓你印象深刻。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裡以外的深空，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為宇宙大得令人難以置信，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，人在夜裡入睡也會變得更加困難，如果星星之間離得更遠，夜空就會暗得讓人訝異，我們對宇宙其它地方的了解也會變得更少，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，甚至難以認清地球在宇宙的位置。
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，並且了解人類在宇宙裡的位置，了解恆星和星系的分布。但是我們對宇宙的了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？這也就是這篇文章要講的主題——宇宙的大小及它的結構。
宇宙>可觀宇宙>北冥座長城>雙魚-鯨魚座超星系團複合體>拉尼亞凱亞超星系團>室女座超星系團>本星系群>銀河系次集團>銀河系>獵戶臂> 古爾德帶>本地泡>本星際雲>奧爾特雲>太陽系>太陽圈>內太陽系>地月系>地球
宇宙的結構
現在你正在地球的某個地方看這篇文章，具體的地點不太重要，也許你正在坐在沙發上，也許你正在高鐵上，也許正躺在床上，在宇宙的宏大制度之下，這些細枝末節都變得無關緊要了，地球和它的7個姐妹行星圍繞著太陽旋轉，太陽是圍繞著銀河系的中心旋轉，銀河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，太陽系大概是位於銀河系其中的一條旋臂的中間，太陽是銀河系裡上千億顆恆星中的一員，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，那從宇宙的尺度看它們其實是太陽系的鄰居。
在晴朗的夜晚如果遠離光汙染的話，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，其中密密麻麻的布滿了恆星，好像潑在天空中的牛奶，在夜空中看到的一切大多數都屬於銀河系，因為它們最離最明亮，宇宙的其它部分密布著其它星系，目前還沒有發現漂浮在星系之間的孤星系。
100年前，天文學家還以為恆星均勻地點綴在太空裡，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，才明白那些模糊的遙遠的天體也是星系，原本以為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，而太陽也不過是眾多恆星中的一顆，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。
圖解：北冥座長城
星系在宇宙裡也不是均勻分布的，它們傾向於聚集在一起形成鬆散的星系群和星系團，這些又組成了更大的超星系團，每個超星系團裡都有數十個星系團，我們所在的超星系團重量大約是太陽質量的 10^15倍，在超星系團的尺度之下，宇宙的結構層次是非常分明的，衛星圍繞著行星轉，行星圍繞著恆星轉，恆星圍繞著星系的中心轉，星系圍繞著它們星系團的中心轉，星系團系統又圍繞著超星系的中心轉移，不過奇怪的是事情就到此為止了，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厚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，將空蕩蕩的宇宙包括在其中，那裡沒有星系團也沒有星系，幾乎是什麼東西都沒有，你可以想像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。
圖解：超星系團分布圖
超星系團組織是宇宙中已知最大的結構，如果繼續放大視野就會看到恆星，星系，星系團，超星系團，片狀結構這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，均勻的遍布宇宙，為什麼這種模式以這樣的尺度作為終結呢？超星系團為什麼不會再形成一個圍繞著什麼東西旋轉的結構呢？為什麼宇宙到了這個層次就如此均勻了呢？
圖解：圖為拉尼亞凱亞超星系團是室女超星系團銀河系 、太陽系和地球所處的超星系團
結構形成過程
有一件事是顯而易見的，在這樣的制度下我們是微不足道的，我們在宇宙裡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裡，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，為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像的東西，為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？為什麼每個星系不是只有一顆恆星呢？星系它到底為什麼會存在呢？為什麼宇宙中的恆星不能像老房子裡懸浮的塵埃一樣均勻地分布呢？宇宙似乎可以一開始就是基於和對稱的，粒子在各個地方有著完全相同的密度，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。這意味著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，而宇宙也就是停止不動的了，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。
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，為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，為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。
舉例說明：
好幾家星巴克咖啡店均勻的分布在一座城市裡，每一位咖啡愛好者都能被最近的幾家店吸引，但是這些咖啡店和他的距離都差不多，所以他總是猶豫不決，不知道該去哪一家店，然而如果某一家咖啡店通過衝泡過程中的一點小變化而製作出了更香醇的咖啡，那麼這家店就吸引更多的客人，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，在早期的宇宙裡那個最早的熱點，對於今天的恆星和星繫結構絕對是至關重要的。
在宇宙的嬰兒時期是什麼造成了第1個熱點呢？
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，從宇宙微波背景中看到的宇宙嬰兒期的樣子，它展示了在從高熱帶電的離子狀態冷卻為中心氣態佔主流的時刻，在宇宙微波背景圖中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裡的量子漲落，在宇宙大爆炸裡膨脹極大的拉升了空間，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，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複雜的結構，量子層面上隨機事件的空間被快速的擴張給放大了，這引發了今天所看到的一切，如果沒有暴脹宇宙看起來會很不一樣。
宇宙裡之所以沒有比超星系團的片狀和球狀結構更大的結構，是因為引力還沒有足夠的時間把那些大傢伙拉到一起，事實上今天宇宙裡的某些部分直到最近才開始受到彼此引力的影響，因為引力作用同樣也受到光速的限制，如果暗能量沒有使宇宙不斷地擴張，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，引力把物質聚集到一起，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，這意味著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。我們生活在這樣一個平衡的時代，真的只是一個巧合嗎？我們人類曾經自以為很特殊，比如說宇宙是地球的中心，這樣的想法應該讓我們警惕，因為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智商，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，因為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物質拉到一起，宇宙之所以有結構，是因為量子漲落帶來了最初的密度褶皺，後來又被暴脹給放大了，從而為我們當前宇宙的形成埋下了一個種子。
這些種子又是怎樣長大成為行星、恆星還有星系？
這裡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，宇宙還是一個有著微小密度褶皺的熾熱的中性集團，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1萬年間這些空間裡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，為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星的星系呢？
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，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，在最初的密度褶皺裡形成的氣體和塵埃成為了團塊，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了一起會發生什麼呢？
答：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，大巖石，這些東西之所以沒有在引力的作用下它縮成一個小點，是因為它們還有來自內部的壓力，巖石裡原子不願擠得的太緊它們會反抗，這些東西最終的狀態是引力和壓力之間達到平衡的結果。
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巖石和金屬壓縮成熔化的巖漿，地球中心滾燙的巖漿就是這麼產生的。
如果有一團足夠大的物質，引力還可以通過熾熱的粒子態把這團物質變成一個恆星，恆星從本質上說就是處於不斷爆炸狀態的熱核聚變，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，產生不斷爆炸的核聚變，並且讓它維持數十億年之久，這些恆星之所以沒有立即坍縮成更緻密的天體，是因為它的內部有壓力，一旦燃料消耗殆盡無法再提供對抗引力的壓力恆星就會坍縮成黑洞。
宇宙裡大部分物質不是用來形成行星或者恆星的
宇宙大部分的物質裡大概有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了解的作用，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，事實上目前人們認為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裡，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，所以不會坍縮成黑洞，具體的情況因星系而各異，旋渦星系沒有坍縮是因為它們旋轉得非常快，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著黑洞旋轉，還有很多氣體塵埃和行星。至少一顆行星上居住著人類，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？
如果能以極快的速度飛過整個宇宙，那麼我們會更清楚的知道物質在宇宙中是如何排布的，更重要的是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，這意味著在開發出去曲率引擎之前，我們只能試著從遼闊的外部世界來到地球的信息來回答這些問題。
可觀測宇宙以外的區域真的無法再觀測到了嗎
光只有138億年的時間可以抵達到我們這裡，這意味著在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綠色巨龍在我們的視線之外又活蹦亂跳的，就如我頭像一樣的宇宙龍，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，但我們仍然能想像它有多大，以下是幾種可能：
第1種可能：因為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成積也就是138億光年。
第2種可能：是因為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，去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裡，第2種可能性是正確的，因為空間在擴張，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裡大概10^21顆恆星，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，按此計算可觀測宇宙的增長更加驚人，因為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的讓你無法理解了，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裡，換句話說，可觀測宇宙可能永遠也無法追上真實的宇宙，這意味著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10^20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，但是瞎猜的時候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10^23平米之間，那你立馬就能知道他是在瞎猜。
空間屬於三維甚至更高的維度嗎
如果宇宙的確是彎曲的，那麼空間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，它繞著自己轉了一個大圈，朝著一個方向前進，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，那光在這樣的宇宙裡也許會繞圈，甚至可能不止一次的經過地球，這意味著你會在天空中多次看到同樣的天體，這個天體的光每繞著宇宙轉一圈，你就會看到它一次，不過遺憾的是科學家試圖在星繫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，但是仔細想想這是一個令人匪夷所思的可能。
因為無限是一個奇怪的概念，這意味著宇宙中的各個角落正在發生著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為0它就能發生，在無限的宇宙裡，有某一個跟你非常像的人，此時此刻卻做著別的情況，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為0，它就一定會發生，而且會發生無窮多次。
宇宙為什麼這麼空，為什麼恆星和星系之間會有這麼大的距離？
太陽系的寬度大概是90億公裡，離我們最近的恆星（比鄰星）大概在4.22光年遠的地方，銀河系大概是10萬光年寬，離我們最近的仙女座星系大約在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，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1個問題：為什麼我們不能比光速更快。
第2個問題：為什麼空間會因為宇宙大爆炸膨脹至今。
光速是我們在宇宙中衡量遠近的標尺，如果光速比現在快得多，那我們就能看得更遠，並且前進的更快，但宇宙中的事物看起來也就不會那麼遠了，如果比現在要慢，那麼就更不可能造訪附近的行星了。另一方面，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的太多，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黯淡，所以宇宙的空曠最終要歸原於兩個量的作用：
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。
黃姤·結語
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，目前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，我們對宇宙的了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！它們為什麼會移動！為什麼會這樣移動！
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。