宇宙究竟有多大

宇宙究竟有多大呢?我们可以形象地来加以说明：我们先将太阳想象成一个南瓜，那么大约2500亿个南瓜堆成了银河系，而1000亿以上这样的“南瓜堆”又分布在一个假想的“空心球”里。这个“空心球”就是宇宙的大小。而我们的地球在这个“空心球”里，不过像一颗小小的绿豆而已。

宇宙是无限大的。这个代表宇宙的“空心球”，由数以亿计的粒子组成，其中每一个星系、每颗恒星和行星以及我们每一个人，就是由这一堆基本粒子组成。

这个有限的宇宙是人类用哈勃望远镜看到的，它所观察到的最远星系距离我们有150亿光年(光年，天文学的一种距离单位，即光在真空中1年内走过的路程为1光年。光速每秒约30万千米，1光年约等于94，605亿千米)，这个距离以外的地方就全是未知数了。这就跟宇宙中的所有基本粒子能够数清一样，至少从理论上说，在一定的时间内我们能看见宇宙中的“最后一颗恒星”。但这并不意味着“最后一颗恒星”就是宇宙的尽头。

宇宙的边界

宇宙空间是有限无界的。我们的地球就是这样一个有限的空间，你在它的表面上无论朝哪个方向走，无论走多远，你都不可能找到它的“边界”；地球的体积是有限的，它的半径才6000多千米，所以最终你将回到出发点。爱因斯坦认为：在宇宙中无数巨大星系的巨大重力作用下，整个宇宙空间会发生弯曲，最终卷成一个球体，光线沿这个球面空间的运动轨迹也是弯曲的，并且永远到达不了宇宙的边界。

宇宙之外

那么，宇宙之外又是什么呢?那是人类目前还无法回答的问题，只能请出“上帝”，或者说“上帝”本身就是答案。就连当今世界最杰出的“相对论”专家、剑桥大学的霍金教授也指出，追溯这类终极问题会使人感到，上帝存在的可能性至少有50％。

其实你完全可以站在“上帝的角度”来观察这个“空心球”。你会发现它的体积并非固定不变，而是在不断膨胀的，就像一个被逐渐吹胀的气球一样。

人类对宇宙的认识

古时候就有了“宇宙”这个词，但其含义与今天的大不一样。人类对“宇宙”的认识从自身居住的附近地区到地球，到行星，到太阳，再到太阳系……宇宙的空间正随人们的认识而逐渐“变大”。

在18世纪的人们眼里，宇宙的大小还只局限于太阳系。

随着科学技术的发展，人们逐渐认识到：地球不是太阳系的中心，太阳才是太阳系的中心，而太阳也只是天空中数以万计的恒星中的一颗。

于是，人们心目中的“宇宙”开始逐渐扩展到了银河系。

18世纪之后，人们才弄清了太阳也只不过是银河系中众多的恒星中的一颗而已。

银河系的直径约10万光年，厚度约一万光年，太阳绕银河系中心旋转一周约需两亿年。随着人们的认识范围逐渐扩大，人们心目中的“宇宙”已不再是银河系——人类已经认识到，在银河系以外，还有许多“河外星系”的存在。这些“河外星系”离我们很远，即使通过大型的望远镜，也仅仅能看到一些模糊的光点。

十几个或几十个星系在一起组成了“星系群”。我们的银河系就同它周围的19个星系组成了一个“星系群”，这个星系群的直径大约为260万光年。

比“星系群”更高一级的星系组织是“星系团”，它由成百上千个星系组成。“室女星座”里有一个星系团，包含1000个以上的星系，其中心离我们大约7000光年。“后发星座”里，包含了2700个星系，距离我们大约2．4亿光年。而为数不详的“星系团”又构成了总星系。

宇宙的体积

通过了解人们认识宇宙的过程，我们已经可以初步地回答“宇宙有多大”这个问题了。

人们从自身居住的区域认识到地球，又从地球认识到太阳系，眼界扩大了成百上千倍；又从太阳系认识到银河系，眼界扩大了1亿倍；从银河系认识到总星系，眼界扩大了10000亿倍……随着人们认识的不断深化，宇宙的体积也在不断扩大。几十年前，总星系的半径还只有10亿光年，现在却已达到100亿光年……爱因斯坦曾经“计算”出宇宙的半径为10亿光年，后来他又修订了“计算结果”，认为宇宙的半径是35亿光年。

事实证明，他所计算的宇宙大小的范围一次又一次地被突破了。无限的宇宙从天文学的角度上看，宇宙是有限的。

宇宙的大小，实际上可以认为是总星系的大小，是一个以一定长度为半径的有限的时间和空间范围。

总星系是目前天文学所能探测到的最远的世界。目前，人们对宇宙的认识只能局限于总星系。

从哲学角度上来讲，宇宙不仅在空间上是无限的，在时间上也是无限的。时间上和空间上的无限，才使得宇宙能够成为一个统一的整体而存在。

目前，人类认为总星系的半径为700亿～800亿光年，也就是我们心目中宇宙的大小，但700亿～800亿光年以外，还可能有数不清的星系和星系团。总星系究竟有多大?它的边缘在哪里?它的中心又在何方?这些问题，人类何时能找到答案呢?

宇宙有关“反物质”说法之谜

我们都知道，目前人类观测到的世界是由物质构成的，而物质又是由原子构成的。原子的中心是原子核，原子核是由质子和中子组成的，电子在围绕原子转。原子核里的质子带正电荷，电子带负电荷，它们携带的电量相等。从它们的质量比较上看，质子是电子的1840倍，形成了强烈的不对称性。因此，本世纪初有一些科学家就提出疑问，两者相差这么悬殊，会不会存在另外一种粒子，这种粒子与基本粒子电量相等而电荷相反?

1978年8月，欧洲一些物理学家成功地分离并储存了300个反质子达85个小时。1978年，美国新墨西哥州州立大学的科学家把一个有60层楼高的巨大氢气球放到离地面35千米的高空，气球飞行了8个小时，他们宣布捕获了28个反质子。从此，人们开始相信，每种粒子都有相应的反粒子。目前，科学家利用高能加速器已制造出了反氘核和反氦核。

既然有反粒子的存在，人们很自然地联想到反氢分子、反元素、反分子，由此便构成了一个反物质世界。有人进一步提出假说：宇宙是由等量的物质和反物质构成的。如果真有反物质世界，那么，它只有不与物质会合才能存在。可物质和反物质怎样才能不会合呢?怎样才能判断出宇宙中哪些天体是物质，哪些又是反物质呢?为什么我们所知道的世界中反物质会这么少?这些都是留待人们去解开的谜团。

宇宙弦之谜

宇宙弦这一物理概念是1981年维伦金等人提出来的。他们认为，宇宙大爆炸所产生的威力应该形成无数细而长且能量高度集聚的管子，这种管子便叫作宇宙弦。大家知道，池水在冬季结冰时，起初，水面的**是均匀的，随着气温的下降，小块小块的冰开始分散地长出来，但不同池区的冰晶不一定都有相同的取向，当冰块长大互相挤压时就会出现裂缝和断层等“缺陷”。同理，当宇宙从原始热大爆炸状态冷却下来，电磁一弱互相作用与强互相作用的对称性被破坏时，在结构上也会产生类似的裂隙。这种由基本粒子物理学的大统一理论所预言的缺陷有零维(点)、一维(线)和二维(面)三种：零维的是磁单极子，一维的便是宇宙弦，二维的叫作畴壁。本文只谈宇宙弦。

理论工作者赋予宇宙弦的性质是异乎寻常的。如果在房间里有一节这样的弦，是很难被发现的。它有点儿像蜘蛛丝，但远比原子还细。你可以穿过它走路而绝不会发现它。但是，1厘米的宇宙弦比整座喜马拉雅山的质量还要大，直径细到10＼＋{-30}厘米，但质量却高达每厘米1022克。其次，质量是可变的，完全决定于其张力：拉得越长，绷得越紧，质量越大，它的强度也极大。

宇宙弦的活动与其邻近的天体、宇宙膨胀密切相关。起初，宇宙弦以接近于光的传播速度跟随宇宙一起膨胀，并具有各种复杂的形状和运动。但是，普遍膨胀使宇宙弦的弯曲部分被拉直并使振动慢下来。当宇宙弦振动时，产生互相交和自相交现象，其结果形成了许多闭合的弦圈。大弦圈随宇宙继续膨胀而增大其“个头”，同时其形状更加平滑。较小的弦圈不停地振动，成为引力辐射的源泉。这就是理论家赋予宇宙弦的另一种奇特性质：要么伸展到无穷远处，要么形成闭合的无终点的环圈。

按照爱因斯坦广义相对论，在大质量宇宙弦附近将发生空间畸变，这对于光线的传播将产生一定的影响。来自运动着的宇宙弦后面的光线掠过弦旁时将被折射，产生光源的双重像，即所谓引力透镜效应；此外，从空间畸变处发出的电磁辐射其波长将发生蓝移现象，这一效应对宇宙背景辐射将会有察觉得出来的影响，但迄今未观测到辐射温度在“宇宙弦”的一边升高和在另一边降低的现象。

宇宙弦论的两位创始人泽尔多维奇和维伦金曾建议这些假设的、高度绷紧的细弦可能是从早期宇宙的气体中生长出星系的“种子”。但近来对这一问题有两种截然相反的建议：一种学说认为宇宙弦的强大的引力使在它们周围的物质聚集起来，从而开始了星系的形成。但更新的一种推测恰恰相反，认为从这些弦发出的电磁辐射在早期宇宙的物质中吹出了许多“泡泡”，并把这些原始物质压缩在泡与泡之间形成“薄饼”，而星系则是在这些泡壁间形成的。

近来，维伦金、韦顿等人又进一步提出关于超导宇宙弦的设想，他们猜测，在我们银河系中心可能存在着一个这样的小宇宙弦圈，并认为银河系中心的射电天图上所显示出来的细线可能就是明证，但尚需通过光学图像来定案。更有趣的是他们关于把超导宇宙弦作为类星体中心发电机的建议，这可与流行已久的大质量黑洞模型相比较。

从表面上看，宇宙弦论可以解释宇宙大尺度结构的一些观测事实：如星系沿空洞周围形成弦线式的环状分布，许多星系团呈扁长形，发现了几亿光年长的超星系团和星系链等等，但尚需精度更高的观测数据来加以验证。很多理论问题也需要继续探讨，如有关超导宇宙弦的电流耗散、与等离子体的作用、磁发电机效应等等。可见，宇宙弦的本性尚是一个不解之谜，还要作深入的探讨和观测。

科学家追踪宇宙不明冷暗物质

一个由来自中国科学院高能物理研究所、清华大学、中国原子能研究院等9家单位近25名专家组成的合作小组已经成立，他们在我国开展一项目前世界天体与粒子物理及宇宙科学界高度重视的最热门课题研究：追踪一种可能是宇宙早期爆炸后遗留至今的弱作用重粒子——超对称粒子。

曾任该项目合作组中方首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员戴长江说：“一旦经过科学的重复证实这种弱作用重粒子确实存在，将极大地支持超对称粒子模型。不管最终结果如何，对这种新粒子的寻找对于粒子物理、天体物理及宇宙学的发展具有重大的科学意义。”冷暗物质之谜从原子物理到原子核物理，再到今天的粒子物理，物理学的日臻完善已经能够很好地解释许多诸如复杂的天体运动本质的自然现象。宇宙学模型认为，宇宙大爆炸后经历了超高能、高能、低能过程，对应的物理规律也符合大统一、弱电统一和量子色动力学，宇宙大爆炸及其演化所产生的粒子则遵循这些规律。

然而，在宇宙中还可能存在着一些弱作用冷暗物质粒子，它们的形成及运动规律是现有粒子物理模型所不能解释的，于是科学家们又提出了超对称粒子物理模型。

现代天文观测和爆炸宇宙论的研究表明，宇宙中的物质绝大多数是暗物质，而暗物质中大多数是由冷暗物质粒子组成的非重子暗物质，现在普遍的看法认为，这种冷暗物质粒子在宇宙中的含量超过20％。

戴长江研究员介绍说，尽管目前实验室还不能对这种新物理模型假说提供有力的证据，但超对称粒子物理模型能很好地解释宇宙螺旋星系中星云旋转速度几乎不随星云盘径向的距离而改变以及在星系空间气体辐射的X射线观测中发现的气体平均速度大于其逃逸速度。

自1985年以来，宇宙中暗物质的研究已成为天体物理、粒子物理和宇宙学的交叉热点，其中对冷暗物质粒子——超对称粒子的观测研究是当今非加速器物理实验最热门的课题之一。