宇宙有多大？爱因斯坦相对论揭示的真相

由前文可知，由几百亿颗到几万亿颗的恒星组成—个星系（如银河系），由几十个星系又组成一个星系群，由许多个星系群又组成一个星系团，每个星系团里都要包含成千上万个星系。所有的星系团又组成了我们的总星系团，总星系团就是我们所说的宇宙。

人们从认识地球到认识太阳系的眼界扩大了上千倍，从太阳系到银河系的眼界扩大了上亿倍，从银河系到总星系的眼界扩大了万亿倍。目前我们认识的总星系，包含有10亿个星系，而一个银河系里有几千亿颗恒星，所以宇宙到底有多大、天上到底有多少颗星，我们是可以想象得到的。过去的老百姓说：“地上有多少个人，天上就有多少颗星。”也有人说：“你头上有多少根头发，天上就有多少颗星。”这些都说明，在过去科技不太发达的时候，人们对于这几个数字的庞大是感到迷惑的。到了今天，人们对于头发数和地球上的人数是能够比较准确地统计的，可是对于天上到底有多少颗星，尽管前文中给出了一个星系的数量，但是到底有多少颗恒星（还有不发光的行星），我们是不能统计出来的。目前已观察到的最远的星系离我们有150亿光年以上，这是个空间距离，但也是个时间概念，说明我们今天看到它，是它在150亿年前发出的光，现在才传到我们地球上来。

前面是用数字说明一下宇宙的大小，但是数字这么大，在我们的头脑里仍然是模糊的。以下笔者从三个方面进行描述：一是宇宙有限无边；二是宇宙没有中心；三是宇宙各向同性。

第一，宇宙有限无边。从人们对宇宙的观察来看，已经确切地知道，宇宙在膨胀，并且在加速膨胀。这有什么根据呢？因为目前我们从地球上观察河外星系，发现它们发出的光普遍存在着谱线红移的现象。我们知道，光是一种电磁波，白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的光组成的，光的颜色不同，是因为它的频率不同，按上面的顺序，光由红到紫，频率由小到大，波长由大到小，但不管怎样，每种光的频率和它波长的乘积都等于光在真空中的速度c（c=30万千米/秒=3×108米/秒）。例如，某种红光的波长是7500埃（1埃=1×10-10米），则它的频率为4×1014赫兹，两者相乘等于30万千米/秒。又如，某紫光的频率是8×1014赫兹，则它的波长就是4250埃，相乘也是光速c。所谓光谱红移，就是发现我们所观察到的外星系向我们发来的光的频率都普遍地向光的红端移动了。这说明什么问题呢？说明这些星系在把它发出的光传给我们的时候，一边在自己远离我们而去，这种现象叫“多普勒效应”。例如，当我们在铁轨附近行走时，一列火车鸣着笛向我们走来时，由于声音向我们传来，火车也向着我们逼近时，声波被压缩，频率升高，我们听着火车的笛声逐渐尖锐；当火车带着鸣笛声离开我们时，则声波拉长，频率降低了，这时的声音听起来低沉而浑厚，这是声源离开我们的现象。所以，当光波红移时，说明光源在离开我们而去。这里说的是河外星系，如果是在银河系内，由于运动的相对现象，有红移、也有蓝移，说明有些恒星向着我们走来，也有些恒星远离我们而去。

既然外星系都在远离我们而去，所以我们又说宇宙在膨胀，并且离我们越远的星系，离开我们的速率越大，哈勃定律指出：V=HD。这里的V是星系离开我们的速率，D是星系离我们的距离，H是比例常数，叫哈勃常数，（这个常数是多少，在后面的内容中有详细说明）。公式说明，星系的远离速率与它离我们的距离成正比，距离越远，离开的速率越大。爱因斯坦的相对论指出，宇宙间任何物体的运动速率都不能超过光速。事实上，宇宙的膨胀速率是可以超光速的，因为它不是宇宙内的物体的速率。(www.xing528.com)

既然宇宙在膨胀，如果我们用胶片把它的运动情况记录下来，然后把胶片倒过来放映，于是我们看到一个收缩的宇宙，最后会收缩到一点，于是科学家推测：宇宙来源于□次大爆炸。宇宙先从□点开始，这叫奇点，在这一点时，时间为零，空间为零，在这一点里，充满着极高温、高压，极高密度的炽热物质，然后在某种因素的扰动下，这一点开始了爆炸，并向周围抛甩物质，于是物质诞生了，空间也诞生了，时间也开始有了，因为按照爱因斯坦的观点，时空是随着物质诞生而同时诞生的，在这之前，时空是不存在的。一切物理定律都是不适应的。至于是什么因素使它扰动了一下，有人说认为是上帝踹了一脚，但许多人不同意，因为宇宙还没有诞生，上帝站脚的地方都没有，怎么踹呢？要踹，必须把一只脚站稳，另一只脚才能动。所以，不是上帝创造了宇宙，但到底什么原因扰动的，谁也不知道。

宇宙从一点开始爆炸以后，以后不断膨胀，科学家形容它是一个不断长大的宇宙蛋，于是爱因斯坦认为宇宙有界无边。这个观点不易理解，按照我们的常识，有界就是有边，但爱因斯坦却认为有界或有限，但不一定有边，因为它是一个不断长大的宇宙蛋，对于一个蛋来讲，它有界也有边，但对于一只蚂蚁来讲，如果它在一个中空的篮球内壁爬行，它将永远也找不到边。因此，我们人类在这宇宙间就同一只蚂蚁一样，我们在地球上走，如果沿着一个方向不断地走下去，也是永远找不到边的。我们生活在这个宇宙内，不管采用什么方法，都永远飞不出这个宇宙的边界。通常情况下，我们说光线在同一媒质中是直线传播，可在宇宙中，唯一存在的是引力，在强大的引力作用下，光线也会弯曲。当我们向宇宙深处发出一条光线时，这条光线在引力作用下就会稍有弯曲，经无限传播以后，光线会画成一个圆而回到原处。也就是说，当我们乘坐宇宙飞船以光速在宇宙间飞行时，我们将一定回到原点，假如光线不发生弯曲，我们一直往前冲，那样将永远找不到宇宙的边界。前文讲过，宇宙的膨胀速率可以大于光速，当我们的运动速率达到极限（即光速）时，我们仍然少于它的膨胀速率，那我们怎么能追上它并冲出它的边界呢？所以，我们永远无法到达宇宙的外面去观察它，这正像我们肚子里的一条蛔虫，它只能知道肠胃是个什么样子，它不可能跑到人体之外去观察整个人体的外面是个什么样子的。所以，我们人类也不可能跑到宇宙之外去观察这个宇宙。这就是宇宙有界无边的解释。

第二，宇宙没有中心。有许多人认为，我们站在地球上观察，发现所有星系都远离我们而去，那我们就是中心。但其实不然，因为运动是相对的，当我们站在地球上看到某星系离开我们时，设想一下，如果是我们站在另□个星系上，我们就会发现地球在远离我们而去，于是那个星系不就变成了中心吗？也可以说，任何星系都可以成为中心，既然大家都是中心，那实际上就是没有中心。有人形象地描述，宇宙的膨胀就像我们吹气球一样，一个气球上面涂有许多个有颜色的点点，当我们用力吹气球时，而气球在膨胀，气球表面上任何两个点间的距离都在增大，不能说是以谁为中心在增大。所以说，宇宙没有中心。

第三，宇宙各向同性。什么是各向同性？先用一个实验说明一下，取一块玻璃，在上面放上石蜡，然后用酒精灯在玻璃下面加热，由于玻璃是非晶体，向各个方向上传递热量的能力是相等的，所以我们会发现上面的石蜡熔解后是一个圆形。各个方向传热相同，这叫传热各向同性。现在改用云母做这个实验，由于云母是晶体，在某个方向上容易传热，而其他方向上则不易传热，所以石蜡熔解后成了一个椭圆。这叫云母的传热各向异性。宇宙各向同性，是从大的角度上来说的，从星系和星系团来看，宇宙在各个方向上的密度，质量大体上是一致的。当然后来人们发现，在比较少的范围内，如某两个星系之间或附近，还是各向异性的。