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宇宙究竟有多大？9大理论试图解释宇宙边界所在
来源： 作者：
至今，科学家们仍然无法进行精确测量，甚至我们以为的边缘，也仅仅是我们能够探知的极限，并不代表宇宙真正的界限。至今，科学家们仍然无法进行精确测量，甚至我们以为的边缘，也仅仅是我们能够探知的极限，并不代表宇宙真正的界限。
5月10日消息，宇宙究竟有多大？科学家试图利用现有科学技术水平对其进行测量。然而，宇宙的宽度及深度到底有多少？它的边缘到底在哪里？至今，科学家们仍然无法进行精确测量，甚至我们以为的边缘，也仅仅是我们能够探知的极限，并不代表宇宙真正的界限。　　1 宇宙的尺度
宇宙的尺度我们并非居于宇宙的中心，但是我们确实居于可观测宇宙的中心，这是一个直径约为930亿光年的球体
　　这个星球上没有人知道宇宙究竟有多大。它或许是无限的，也或许它确实拥有某种边界，也就是说如果你旅行的时间足够长，你最终将回到你出发的地方，就像在地球上那样，类似在一个球体的表面旅行。
　　科学家们对于宇宙具体的形状和大小数据存在分歧，但是至少对于一点他们可以进行非常精确的计算，那就是我们可以看得多远。真空中的光速是一个定值，那么由于宇宙自诞生以来大约为137亿年，这是否就意味着我们最远只能看到137亿光年远的地方呢？
　　答案是错误的。有关这个宇宙的最奇特性质之一便是：它是不断膨胀的。并且这种膨胀几乎可以以任何速度进行——甚至超过光速。这就意味着我们所能观测到的最远的天体事实上远比它们实际来的近。随着时间流逝，由于宇宙的整体膨胀，所有的星系将离我们越来越远，直到最终留给我们一个一片空寂的空间。
　　奇异的是，这样的结果是我们的观测能力事实上被“强化”了，事实上我们所能观察到最遥远的星系距离我们的距离达到了460亿光年。我们并非居于宇宙的中心，但是我们确实居于可观测宇宙的中心，这是一个直径约为930亿光年的球体。宇宙究竟有多大？科学家试图利用现有科学技术水平对其进行测量。然而，宇宙的宽度及深度到底有多少？它的边缘到底在哪里？至今，科学家们仍然无法进行精确测量，甚至我们以为的边缘，也仅仅是我们能够探知的极限，并不代表宇宙真正的界限。
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编辑： 邹长森
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为进一步推动广东省大学生深入学习《习近平总书记系列重要讲话读本》（2016年版），增强中国特色社会主义的道路自信、理论自信、制度自信，为实现中华民族伟大复兴的"中国梦"贡献智慧和力量，广东省委宣传部、南方网决定在全省普通高等学校大学生中开展"党中央治国理政新理念新思想新战略知识竞赛"活动。哈勃宇宙大爆炸津巴布韦100万亿元纸币　　仰望浩渺的星空，人们总是不由要问：宇宙从何而来？它的尽头究竟有多远？它的尽头又在何处？在我们用望远镜可以捕捉到的星云和星系之外，还蕴藏着什么我们所不知晓的奥秘呢？　　美国物理学家3月17日宣布，首次发现了宇宙原初引力波存在的直接证据。这将帮助解答宇宙诞生之谜，被认为是诺贝尔奖级别的重大成果。　　核心提示　　宇宙起源137亿年前　　探寻宇宙到底有多大这个问题，始于20世纪20年代。在100英尺高的虎克望远镜的帮助下，在美国加州的威尔逊山上，天文学家埃德温·哈勃在其助手米尔特·哈马森的协助下分析了一些天际中模糊天体的光线，就是我们后来熟知的星云。他们发现，这些实际上是一些位于遥远星空中的星系。　　哈勃和哈马森发现大多数的星体都向远处移动。离地球越远，这些星球移动得就越快。这个原理现在被人们称为“哈勃定律”。它表明在很久之前所有的星系是一个整体。目前天文学家拿他们越来越大的望远镜看到的所有东西，都可以追溯到同一个剧变的开始，那就是“宇宙大爆炸”。　　早在1917年，阿尔伯特·爱因斯坦便推测宇宙是会膨胀的。爱因斯坦的广义相对论表明，宇宙空间的膨胀导致了各星系的分散运行。所以说当一个光子在一个远方的恒星被放出，它穿过的宇宙空间的尺度会变得越来越大，这会增加它到达我们所必须穿越的距离。　　自“宇宙大爆炸”发生以来，宇宙究竟变得有多大了？这取决于它经历的时间长度和膨胀速率。近期，通过哈勃望远镜的精密测量得到的数据，和其他工具的测量数据得出了一致的结果：宇宙的起源可以追溯到137亿年前。　　但是以宇宙爆炸论为依据，无论从哪个方向探测，哈勃望远镜能看到的最远的星系远在460亿光年之外，两端则相距920亿光年。　　难道这就是宇宙真实的大小吗？不是。根据这个戏剧性的宇宙起源学说，我们得出的920亿光年只是茫茫宇宙中的一颗尘埃。　　宇宙从一个原子大小用极短的时间膨胀到目前宇宙的大小。宇宙的剧烈膨胀很好地解释了宇宙的无垠和平滑。　　进行宇宙大爆炸试验　　现在科学家们试图将所有关于宇宙形成的信息整合，虽然在人们看来那很可能只是一场“小”爆炸。位于美国纽约市的布鲁克海文国家实验室里，科学家们朝相反方向射出金原子，并在大约2.5英里长的隧道里加速飞行。　　当这些原子的速度接近光速时，它们被引入一场剧烈的对撞。反应生成了一个火球，其温度超过了两万亿摄氏度。据悉，此前宇宙中曾出现过如此高温的物质，那是在宇宙诞生后的百万分之一秒。　　令科学家感兴趣的是反应中溅出来的亚原子粒子，理论预言一种极热的夸克浆和胶子会变成我们所知道的粒子。在初期实验中，这种夸克胶子浆体展示出了其最主要的性能，就是极低的粘滞度，或称超流动性质。科学家们称它为完美液体。　　为了利用好这一特性，我们又回到这些传说中引发宇宙大爆炸的原始能量场。科学家们推测正是这些能量场的一些微小涨落，最终在暴涨中被吹散到很大的尺度上。　　在极稠密的夸克胶子浆体混合物中，这些波动会产生压力波，就像涟漪一样。　　随着宇宙的形成，这些波动在这些稠密物质中产生了异变。令人惊喜的是，这些原始波动的印记已经被现代人所获知。在20世纪60年代，科学家无意间捕捉到了其微弱的信号。　　贝尔实验室的研究人员阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔森建了一个巨大的角状的天线。但是不论这个天线指向何方，这个装置总是可以搜到很多来自电磁波谱中的微波噪音。　　那些噪音刚好与多年前的一个预言吻合。那就是宇宙大爆炸以后，宇宙中充满了极高温的气体，它们散射了所有的光。　　随着宇宙逐渐降温，热气也散去，光线再一次照射万物。随着时间的推移，这些光的光谱特征也随之改变。随着宇宙的膨胀和冷却，这些光正变成了彭齐亚斯和威尔森探测到的物质。他们听到的噪音，正是宇宙爆炸时产生的回音。　　绘制精密的宇宙地图　　日，发现号航天飞机将哈勃望远镜送上了轨道，这个事件是近代最重要的科学里程碑之一。5个月之前，另一次饱受争议却意义重大的发射完成了。宇宙微波背景辐射探测器（COBE）被送上天，它的任务是更清晰地捕捉到彭齐亚斯和威尔森发现的微波射线。两年半后，结果出来了。早期宇宙中的光含有某种形式的热斑和冷斑。　　在这个电脑控制望远镜并自动勘测的时代，天文学家们可以展开更广泛地国际合作来绘制一幅巨大的3D宇宙映像。　　在美国新墨西哥州阿帕奇山天文台，史隆数字巡天计划为大规模天文探测设立了标准。天文学家在一组钢板上凿出的孔，与夜空中星系的位置正好吻合。然后将光纤传感器插到洞孔中，这些钢板每晚就可以捕捉到成百上千个星系的光。通过研究这些光，天文学家们计算出了各星系与地球的距离。　　另一项研究称为两微米巡天计划。原理就是探测器经过调整后捕捉红外线频率的光子。在一张图中，数据包括了一个6千万光年以外的区域。本星系群，包括银河系都在其中心位置。这是我们宇宙星系中的邻居。让我们把视线移到一个两亿光年距离的区域，这个位置与密集的室女座超星系团相连，是离我们最近的星系城。　　再移到一个三亿两千万光年距离的区域，你可以看到我们自己所在区域的全景。星系排列成一个墙体或者一个弧形。后面便是稀疏分布的空洞。这就是宇宙星系村。最后我们来到一个两极距离为65亿光年的区域，它被称为宇宙大陆。在其中部，是我们的银河系。尽管从地球上看起来这么宏伟巨大，放在这里它只是沧海一粟。　　两微米巡天计划，史隆数字巡天计划，和澳洲开展的2度领域研究使我们对宇宙的研究区域已经延伸到了我们到宇宙起始点四分之一的地方。这些研究为我们的宇宙学事业设立了一系列宏伟的路标。　　COBE的后继者，威尔金森微波各向异性探测仪（WMAP）的发射，用来勘探早期宇宙形态，以绘制一幅精密的宇宙地图集。WMAP从地球出发，排除各种阻碍，最终抵达一个与地球和太阳平衡的位置。两年间，探测仪捕捉到了宇宙深处，来自宇宙最初形态时发射的光线。这是WMAP所探测到的信息：它的形式与宇宙中大规模形成的丝状物和空洞相一致。科学家们仔细研究WMAP的数据，以寻找推算宇宙真实尺寸的线索。　　经过计算，科学家们得出整个宇宙现在的直径已经至少有780亿光年。　　宇宙还在　　加速膨胀　　我们永远不会确切知道我们的视界之外到底有什么。但是天文学家们在领略宇宙面貌后给了人们一些意外的暗示。　　对于古代的天文爱好者来说，宇宙是由五种基本元素组成的：土、水、空气、火和第五元素，或者说空间。　　今天我们发现，空间其实是有其本身物理特性的。天文学家们已经计算出，需要多少引力才能拉住恒星在星系里运动，以及星系在星系团里的运动。但他们至今没有发现足够的可见物质能提供引力维持这些结构。这些缺失的、未知的元素，被人们称作暗物质。　　在超级计算机模拟的宇宙演变实验中，暗物质可以帮助生成引力，从而形成宇宙中大规模的丝状物和墙体物网群、空洞和稠密的星系团。但是在这些大尺度上还会出现一些其他现象。　　在一种新的距离定标器的帮助下，天文学家采用了更精确的方法来探测宇宙膨胀率。他们想知道万有引力是否减缓了宇宙膨胀的速度。　　他们的定标器，1A超新星会在宇宙各处以相同的强度燃烧。通过测量这些不同距离的所谓标准烛光的亮度，科学家们可以标记宇宙膨胀率的变化。　　令他们惊奇的是，数据显示，宇宙作为一个整体，不仅在膨胀，而且还在加速膨胀。　　据推测，始作俑者是宇宙真空中涌出的能量。近似于宇宙大爆炸早期导致整个宇宙暴涨的过程。通过无处不在的瞬间释放能量过程，空间被膨胀外推了超过整个宇宙的尺度。　　随着时间的推移，这种所谓的“暗能量”惊人地形成了四分之三的组成宇宙的物质和能量。　　如何理解“无限”的含义　　许多天文学家认为，在我们目力所及的范围内，能看到的星星和银河系仅是浩瀚宇宙的冰山一角。宇宙是否会无限地延伸下去？我们在其中处于怎样的位置？　　要想了解“无限”这个词的含义，首先要对宇宙中的数量级有一个大致的概念。　　这是来自津巴布韦的一张面值100万亿元的纸币。2008年底，津巴布韦发生恶性通货膨胀，这张纸币的价值仅相当于1.5美元。　　再增加两个数量级我们将认识一件更有价值的东西。史上运行最快的超级计算机的运算速度很快将突破每秒2亿亿次，相当于20后面跟着15个零。以这个速度运算一天半的时间，得出的结果为全世界海滩上所有沙粒的数量，相当于10后面跟着22个零。这也是可见宇宙范围内星星的大概数量。　　迄今为止我们用过的最大数字是格雷厄姆系数，它是用于计算N维立方体角度的。如果把可见宇宙按已知的最小单元，也就是普朗克尺度来分割，那么所有单元的总数也比不上格雷厄姆系数大。　　即便如此，我们也远未接近“无穷”这一终极概念。　　一位名为布鲁诺的天主教修道士辗转欧洲各地广泛宣传“宇宙无限论”，让这一理论成为关注焦点。1600年，他被宗教裁判指控为“异端”烧死在罗马鲜花广场。　　9年后，也就是1609年，伽利略用第一架天文望远镜证明了宇宙远远大于人类想象。他在之后的著作中甚至尝试推翻“潜无穷”和“实无穷”之间的界限。　　不过，伽利略后来被迫放弃了他的观点。亚里斯多德的宇宙学说仍然占据主流位置。当时，所有探讨宇宙无限性的言论都难逃厄运。因为无限是只属于上帝的。　　如今，对于宇宙大小的新闻每时每刻都在更新，这也不断地刷新我们对空间大小的概念。因为我们视线之外的世界正在不停地膨胀扩大。但是这些探索会不会将我们这个微小偏僻的地球推到一个越来越小的角落呢？或者，我们理解和想象时空尽头的能力，是否会潜移默化地扩大我们在这个宏伟计划中的重要性呢？　　科学家们将继续寻找证据来探寻我们的视界之外还蕴藏着什么，检验时空本质的理论。但是问题的答案总像是一个位于无尽走廊尽头的房间，最终的答案始终在和我们捉迷藏。登录网易通行证
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[第1课]BBC：宇宙究竟有多大
人们总说宇宙很大，但是它到底有多大？科学家制定了一项雄心勃勃的计划，要画出一幅完整的宇宙地图。然而在可观测宇宙中，有1700亿个类似银河系的星系，不单这些星系在移动，整个宇宙也并非静止不动，甚至有科学家认为，在我们的宇宙以外，还存在着无数个宇宙。究竟宇宙有多大？怎样才能画出它的全貌？研究人员借助最先进的天文观测设备，调动整个小镇的普通居民展开人工作业，以事实验证前人的理论，并得出了震惊世界的结论。
授课语言：英文
类型：物理 地球科学 纪录片
课程简介：人们总说宇宙很大，但是它到底有多大？科学家制定了一项雄心勃勃的计划，要画出一幅完整的宇宙地图。然而在可观测宇宙中，有1700亿个类似银河系的星系，不单这些星系在移动，整个宇宙也并非静止不动，甚至有科学家认为，在我们的宇宙以外，还存在着无数个宇宙。究竟宇宙有多大？怎样才能画出它的全貌？研究人员借助最先进的天文观测设备，调动整个小镇的普通居民展开人工作业，以事实验证前人的理论，并得出了震惊世界的结论。
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