宇宙到底有多大？哈勃帶給我們的認知，連冰山一角都沒有！

2020-10-18 星辰大海種花家

中國道教和佛教就有一個成語「大千世界」來形容宇宙的大小，這裡的世界不是地球，而是整個「世界」，也就是宇宙，比我們這個世界大一千倍則是小千世界，再往上一千倍則是中千世界，中千世界的一千倍就是大千世界！

佛教和道教的宇宙觀似乎很生硬，都是千倍大小，但其實這個千倍應該理解成形容詞，而不是量詞，所以準確的說這個宇宙觀非常具有代表性，也就是我們對「世界」的認識實在是太淺薄了！宇宙到底有多大？包括天文學家在內仍然沒有一個準確的數字！

從地心說到認識河外星系

古希臘時期人們對於宇宙的理解由託勒密匯總成了地心說，一整套嚴密的體系與計算邏輯，儘管繁雜但卻維繫了上七年，也不得不說這個中維護者付出的努力，但錯誤的體系再怎麼裝飾它要被捅破窗戶紙，這個人就哥白尼，日心說的提出，使得人類認識宇宙的方向邁出了一大步，此後克卜勒行星定律的發現，伽利略望遠鏡的發明，還有牛頓萬有引力定律等等，人類準備好了重新認識宇宙的一切工具。

但到二十世紀以前，天文學家知道的也僅僅是銀河系內的天體，儘管發現了很多河外星系，但以當時的認知，也是誤認為是銀河系中的漩渦星雲而已，一直到哈勃發現了仙女星系中的造父變星，距離測量後哈勃認為至少達到了100萬光年，儘管誤差有點大，但可以確認，仙女星系已經是河外星系！

此後測量技術的更新換代，哈勃的宇宙膨脹和距離成正比給了大家一個粗略估計距離的好方法，當然1938年後提出了以Ia型超新星為標準燭光的測量方法後，這個距離更加精準，隨著超大口徑望遠鏡的落成，在宇宙尺度的認識上也越來越遠！

當然提供了最大助力的是宇宙誕生的大爆炸理論發展，因為它直接將人類認識從星系層面的角度直接跨越到了宇宙的邊緣，勒梅特在提出大爆炸理論的雛形後，喬治·伽莫夫和拉爾夫·阿爾菲以及羅伯特·赫爾曼分別推進了原初元素形成和大爆炸餘暉的理論，而1965年微波背景輻射的發現則是一個王炸！

因為它直接跨越了星系，跨越瞭望遠鏡的極限，直接將人類的觸角觸碰到了宇宙的邊緣，1998年宇宙加速膨脹的發現，2013年歐洲普朗克衛星最新測量的哈勃常數，得以計算出宇宙的年齡大約為137.98±0.37億年，2015年時這個數據被更新為：137.87±0.02億年！對應的宇宙大小大約是930億光年！

2016年2月11日LIGO和VIRGO的團隊宣布發現黑洞合併的引力波，其實這個意義非常重大，因為此前的光學望遠鏡只能看到發出可見光的天體，為了看到更暗弱的天體，不得不加大望遠鏡口徑，但很顯然這個製造成本與難度越來越高！後來發展了射電天文，直接看到了大爆炸的餘暉，但在餘暉的背後連射電望遠鏡也無能為力，未來則是中微子，它能觀測到大爆炸一秒後的宇宙！

現在的引力波理論上可以直接觀測到大爆炸發生的一剎那！不過從理論來看，要觀測到大爆炸的引力波，那個天線可能是光年級別，現代技術估計難以實現，不過至少有了理論支持，要不然連門道在哪裡都不知道！

我們的宇宙有多熱鬧？

其實哈勃在沒事幹的時候，拍過「三張」深空照，其實說它三張不合適，因為這是用成大量的長時間曝光的照片處理出來的，目標天區則是在絕大部分望遠鏡看來空無一物的區域！

第一次拍攝時間：1995年12月18日至28日間，位置：北天區大熊座附近

第二次拍攝時間：1998年9月至10月間，位置：南天區杜鵑座

第三次拍攝時間：2003年9月24日至2004年1月16，位置：北天區天爐座

其中最著名的是最有一次幾乎大半年斷斷續續的拍攝，處理後的照片，天文學家發現即使遠達130光年以外，仍然星系密布，而後期加入更大量處理後的HXDF照，則展現了一幅超過133.5億光年外宇宙的秘密，宇宙是那麼大，但它也很熱鬧，哈勃帶給我們的認識是顛覆性的！

當然各位不要急，因為NASA還有一個王炸沒出，那就是詹姆斯韋伯望遠鏡，它使用的鍍金膜的可見光低頻段和近紅外波段，將會發現更暗弱的天體，它能否看到真正的第一個星系，有待未來分曉！

宇宙是封閉有限的還是開放無限的？

上文用了1600多字展現了宇宙到底有多大，但有一個問題是這到底是不是宇宙的全部，這是困擾天文學家的一個問題，這個問題在愛因斯坦的廣義相對論推出後就開始了研究，在1936年幾位天文學家的研究就總結成了弗裡德曼－勒梅特－羅伯遜－沃爾克度規，他們提出了一個宇宙形狀的公式，只有一種可能是有限大小的，也就是封閉，而另外兩種則是開放的無限大小！

此後一直在就個中的關鍵參數觀測進行驗證，前一種有一個著名的觀測是測量宇宙的曲率，建立的模型其實很容易理解，即測量三角形的角度，如果大於實際角度，那麼宇宙就是一個球體，如果小於那麼是個開放的馬鞍形宇宙，如果等於那麼就是平坦的開放宇宙！

結果是宇宙是平坦的，因為測量的結果無限接近於等於實際角度，或者說可能大到難以想像，460億光年距離的三角形兩邊完全不足以描述宇宙的大小，就像我們打算用三角測量法去評估仙女星系的距離，我們將會發現這個周年視差角度是0！

黃圈內可觀測宇宙示意圖

因此宇宙大小有兩種可能，要麼是平坦無限大，要麼930億光年的可觀測宇宙可能是我們重新認識的新宇宙中一顆塵埃而已！

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