大家好 我是斯文

这期视频我们来说一个非常宏大的主题

宇宙有多大

就在今年年初的时候

英国中央兰开大学的天文学家洛佩兹

发现了一个巨大的宇宙结构大环

这是一个有很多星系和星系团组成的

几乎完美的圆形星系群

它的指尖大约是13亿光年

周长高达40亿光年

是目前可观测宇宙内已知的最大结构之一

但是按照目前的宇宙形成论来说

这个大环大到我们的宇宙已经装不下它了

我们现在的理论是

在宇宙大爆炸之后

物质通过引力逐渐聚集

从较小的结构逐渐合并成了较大的结构

然后逐渐形成了星系和星系团

但是这个过程是需要有足够的时间进行的

宇宙形成至今大约有138亿年的历史

宇宙里能形成的最大结构

经过计算

理论值应该是12亿光年

但是它的指尖是13亿光年

已经超过了宇宙形成的理论极限了

按理说是不可能的

因为没有足够的时间来形成这么大的结构

而且按照目前的宇宙学原理

宇宙应该是均匀一致的

就说不管我们站在宇宙的哪个地方观察

看到的宇宙应该都是差不多的

更准确来说

宇宙均不均匀要取决于观测尺度

假如我们把宇宙看成是海洋

我们站在海边看海面的时候

海面应该是这种波涛汹涌的

但是如果大家坐飞机的时候有注意过

就会发现在飞机上看到的海面

其实是非常平滑和平静的

宇宙学原理就是这个意思

而洛佩茲发现的这个大环

就像是一个平滑的表面上

出现了一个显眼的疙瘩

让本应该是均匀的宇宙变得不均匀了

那这种大型结构到底是怎么形成的呢

难道是人类对于宇宙的测量出错了吗

宇宙又是怎么演化成我们现在看到的这个样子的呢

宇宙究竟有多大

我想大家或多或少都想过这个问题

但是这个问题我们自己很难想象出答案

而且想多了之后

人还会产生一种虚无感

公元一世纪的时候

古希腊的天文学家托勒密提出了地心说的理论

他认为地球是宇宙的中心

太阳月亮行星

包括其他所有天体都是绕着地球转的

而地球本身在宇宙中的位置是不变的

这个理论在当时得到了大家的认可

直到16世纪初期

波兰的天文学家和数学家戈白尼

提出了日心说

这才推翻了托勒密的地心说

戈白尼认为太阳才是宇宙的中心

地球只不过是太阳系中的一个普通行星

但是他的这个说法在当时是不被认可的

经过了一个多世纪才慢慢的被世人所接受

还有一直以来都有传言说

戈白尼是因为反对地心说被烧死的

其实他是病死的

真正被烧死的是他的一个支持者叫布鲁诺

他是一个意大利的哲学家

他坚持捍卫戈白尼的日心说

并且他还提出了自己的主张

他认为太阳也只是众多恒星之一

而且他还认为人类在宇宙中也不是唯一的

但是他的这种主张在当时被认为是异端

所以在1600年的时候

他被判了火星

在罗马被当众烧死

我们现在看来

戈白尼的观点虽然也不完全正确

但是他提出的理论

给当时人类的宇宙观带来了很大的改变

人们开始思考

我们身处的太阳系到底有多大呢

想要计算太阳系的大小

并不是件容易事

从戈白尼提出日心说之后的将近100年的时间里

人类对于太阳系大小的计算就没有太大进展

直到开普勒的出现

开普勒虽然也不知道太阳系每颗行星之间的距离到底是多少

但是他在1595年的时候

发现了太阳系每个行星之间的位置关系和比例

他当时把地球跟太阳之间的距离叫做一个天文单位

所以只要想办法知道一个天文单位是多少

那不就能算出每个行星之间的距离了吗

也就能算出整个太阳系有多大的

1677年11月7号

英国天文学家埃德蒙·哈雷

就是发现哈雷会星的那个天文学家

他想到了一个办法

就是利用金星零日来测量地球到太阳之间的距离

只要在金星零日的过程中

测量出金星通过表面的时间

就可以计算出金星到太阳的距离

也就能计算出地球到太阳的距离了

办法是不错

但是我们之前也说过

金星零日是一种非常罕见的天文现象

通常都是成组出现的

相邻的一组金星零日时间间隔是8年

但是组跟组之间的时间间隔超过100年

哈雷预测下一对金星零日是在1761年和1769年

这么看的话哈雷也明白了

自己基本上是活不到那个时候的

即使他能活到那个时候也已经100多岁了

恐怕很难再继续进行观测了

所以他预测出了几十个可以观测到金星零日的地点

希望后人可以把握住机会进行观测

这样也就能算出地球到太阳之间的距离了

很快时间来到了1769年

有人可能会问了为什么不是1761年呢

其实1761年的时候也有很多天文学家进行观测

但是在金星零日当天所有人的观测结果都不理想

可以说1761年的这次金星零日

所有人最终都以失败告终了

所以在1769年的这次金星零日

也是这代科学家最后一次观测机会了

航海家库克船长锁定了一个最佳的观测点

就是塔西提道

而且英国为了这次天文观测能够顺利

特意下令海上的军舰不允许干扰库克的船队

1769年6月4号

库克的团队分别在岛上的两个点

和附近的莫雷阿岛观测了金星零日的整个过程

在这次金星零日的观测过程中

全世界的天文学家一共得到了154组有效的观测数据

法国的数学家拉朗德对这些数据也进行了归纳和计算

最终在1771年得到了计算结果

就是地球到太阳的平均距离是1.53亿公里

他算的这个结果跟我们现在知道的1.496亿公里很接近

所以从此之后世界上就有了一个比较准确的天文单位

人们根据这个天文单位

推算出了太阳系各个行行到地球的距离

如果以海王型轨道作为太阳系边界的话

那么太阳系的直径大约是60个天文单位

也就是90亿公里

太阳系的大小知道了

但是这已经满足不了人类的好奇心了

人们又开始思考太阳系之外的银河系又有多大

1781年威廉·赫希尔开始观察银河系

在他那个时代人们觉得银河系就是整个宇宙

如果知道银河系的大小

那就是知道了整个宇宙的大小

如果知道了我们在银河系中的位置

也就知道了我们在宇宙中的位置

但是用天文单位根本不足以来测量银河系的大小

所以1838年的时候

德国天文学家弗雷德里希·威廉·贝塞尔

使用了一个新的单位

就是光年

一光年指的是光在一年的时间里走过的距离

大概是63,240个天文单位

也就是将近9.5万亿公里

而且威廉·贝塞尔还测出天鹅座6亿距离地球10.3光年

这个10.3光年除了表明它跟地球的距离

其实也表明了我们看到的

是它十年前的距离

我们现在知道了太阳系只是银河系中非常小的一部分

银河系中光是横行就大约有2000亿颗

而太阳只是这2000亿颗横行里

普通的不能再普通的一颗

而且就算是现在人类的科技

也就是勉强能到达太阳系边缘

所以威廉·贝塞尔到底是怎么测量出银河系的大小呢

威廉·贝塞尔想到了一个办法

就是对横行进行计数

它在600多个不同的地点

并且它把它能看到的每一颗横行都记录了下来

就这样它首次画出了银河系的形状

在这个图里

威廉·贝塞尔也画出了太阳的位置

就是靠近中心的这个黑点

由此威廉·贝塞尔得出结论

太阳系位于银河系的中心

并且它测算出来的银河系的长度大约是6000光年

后来随着望远镜还有观测技术的发展

到了20世纪初

威廉·贝塞尔的目标是什么

在20世纪初

天文学家对银河系的测量更加精准了

他们一致认为银河系的长度应该不会超过3万光年

直到1908年的时候

当时哈佛大学的天文台有一个女性天文学家

叫亨利·艾塔·勒维特

她发现了一种可以测量上万光年距离的方法

就是利用造幅变形

造幅变形的量度会随着时间发生周期性变化

只要知道了它的量度

就能根据公式算出我们到它的距离

所以造幅变形也叫量天池

1914年

美国的天文学家哈洛·沙普利

决定利用造幅变形来测量银河系的大小

他先是在银河系的各个角落找了69个球状星团

每个星团里都包含了数万甚至数百万颗恒星

经过了四年的观测

他终于测得了银河系的长度是30万光年

这跟20世纪初的那些天文学家说的3万光年

可是差了10倍

除此之外

沙普利还发现太阳光是在20世纪初的

他还发现太阳系并不在银河系的中心

而是在银河系的郊区

所以他的这个结果跟前人的结论差距太大了

他当时也是受到了非常多人的质疑

1920年4月26号

针对沙普利的这个结论

天文学界进行了一场世纪天文大辩论

辩论的主题就是宇宙的大小

辩论双方都是当时比较有影响力的天文学家

一个就是我们刚刚说的哈洛·沙普利

另一个叫希伯·科蒂斯

所以这场辩论会在历史上

也叫做沙普利·科蒂斯之争

辩论会开始之后

沙普利一上来就说

银河系就是整个宇宙

他计算出来的银河系大小

就是整个宇宙的大小

像仙女星系这种螺旋星系

只是银河系的一部分

理由很简单

他觉得如果仙女星系不是银河系的一部分

那他到银河系的距离肯定在10的8次方光年左右

这个距离跨度在当时的天文学界

大家肯定是接受不了的

而科蒂斯认为银河系代表不了整个宇宙

银河系也好

仙女星系也好

都只是宇宙里众多星系的一部分

就像是海上的一座座小岛一样

除此之外

科蒂斯还说

他在研究的过程中发现

很多星云的内部都有一些特别明亮的天体

他当时管这种天体叫星星

他认为可能是星云内部孕育出来的星的恒星

而我们现在看来

他说的这个星星其实就是白矮星

我们在黑洞的那些视频里介绍过

白矮星是恒星走向死亡过程中的一个阶段

科蒂斯觉得这些星星足够的亮

但是跟银河系内部的恒星一比

它们的亮度又明显低了很多

这不正是因为它们离得太远

所以看上去才暗一些吗

两个人各有各的道理

所以这场辩论会最后谁也没说服谁

直到四年后

一个人的出现才结束了这场辩论

这个人就是埃德文·哈博

我们经常听说的哈博望远镜

就是用他的名字命名的

哈博这个人可以说是个六边形战士

天文、数学、拳击、法律什么都懂

1917年他放弃了成为职业拳击手的机会

选择参军

第一次世界大战结束后

1920年他加入了当时拥有世界上

最好望远镜的威尔逊山天文台

1924年当时年仅35岁的哈博

开始在星云中寻找星星

他瞄准的也是仙女座

这个仙女座在19世纪中期

被天文学家梅西耶列入到了星云表中

排行第31位

所以我们现在也管仙女座叫M31

哈博在仙女座发现了造附变形

这是我们刚刚说过的

那找到造附变形

也就能测出地球到仙女座的距离了

经过计算哈博发现

仙女座和地球之间的距离超过了上百万光年

这个距离太远了

它不可能属于银河系

而是银河系外的一个独立的信息

哈博把这个观测结果寄给了沙普利

沙普利看到这封信的时候

觉得自己的宇宙管瞬间崩塌

但其实沙普利说的也不全是错的

我们现在知道

太阳系确实不在银河系的中心

但银河系也没有他说的那么大

银河系的指界大约是10万到18万光年

虽然造附变形可以帮助人类测量宇宙的尺度

但它还是有一定的局限

当时人类的望远镜最远

也只能观测到几百万光年之外的天体

但是宇宙可远远不止几百万光年

如果想要看得更远该怎么办呢

这个问题还是要哈博来解决

1928年哈博参加了国际天文学联合会

在会上他听到了有关宇宙膨胀的理论

爱因斯坦推出广义相对论之后

有一些科学家就根据他的场方程计算出来

宇宙竟然一直在膨胀

但是爱因斯坦本人并不这么认为

他认为宇宙应该是静态的

宇宙空间的大小是不变的

为此爱因斯坦给自己的引力场方程中

引入了一个宇宙常数

这个常数能让计算出来的宇宙保持静态

哈博并不相信爱因斯坦给出的宇宙常数

他决定还是自己动手来寻找答案

要想知道宇宙是不是在一直膨胀

只要知道星系之间的距离是越来越近

还是越来越远就可以了

但是用什么方法呢

就是多普勒效应

也叫多普勒平移

这个现象指的是当一个波源相对于观察者运动时

观察者接收到的波的频率或者波长

发生改变的一种现象

这种现象我们日常生活中经常能遇到

比如当一辆车按着喇叭向你开过来的时候

你听到的喇叭声会越来越大

当车开远之后呢

你听到的声音就会变低

因为当车接近的时候

声波会被压缩

频率增高

声音就会变高

当车远离的时候呢

声波会被拉长

频率降低

声音就会变低

这是声波

那光波也是波

也是用于多普勒效应

在宇宙中

如果横行朝着地球运动

光的普线就会向紫光的方向移动

称为蓝移

如果星系远离地球

那光的普线就会向红光的方向移动

称为红移

1929年

哈伯和他的助手赫马森

测量了24个银河系外星系的距离

他们发现

这些星系确实是在朝着远离地球的方向移动

而且距离越远的星系

移动的速度越快

哈伯还发现

星系的红移速度

和它到我们的距离成正比

这下哈伯找到了宇宙膨胀的证据

他将观测结果总结成了一个数学共识

其中v是星系的远离速度

d是星系跟地球之间的距离

这个h0就是哈伯场数

当时哈伯计算的数值是526

那么根据哈伯场数

人们估算出了宇宙的年龄

大约是21年

半径大约是68亿光年

但是这个计算结果

很多人都觉得不可能

并不是大小的问题

而是宇宙20亿的年龄太小了

人们当时测出地球的年龄是31年

怎么宇宙的年龄比地球还小呢

所以一时间大家都觉得

肯定是哈伯场数有问题

但是还没等哈伯重新计算

第二次世界大战开始了

哈伯又参军了

在这期间

他的工作被另一位科学家取代了

就是沃尔特·巴德

巴德通过新的观测数据

重新修订了哈伯场数

也重新计算了宇宙的大小

这次巴德计算出来的宇宙大小

比哈伯之前算的大了一倍

半径超过了120亿光年

年龄也提高到了38亿年

1953年9月28号

哈伯因为脑血栓

在加利福尼亚州去世了

哈伯生前的愿望是不想举办葬礼

希望静静地离去

他的妻子独自给他办了后事

没有葬礼也没有墓碑

等到他妻子去世后

世上再没有人知道他埋在哪里了

1990年4月24号

发现号航天飞机

载着一台太空望远镜

从地球升空

为了纪念哈伯

这个望远镜被命名为了

《哈伯太空望远镜》

也有人说是哈伯的遗体

以某种方式融入了这台望远镜里

1995年

哈伯望远镜连续十天

盯着北斗七星附近

一小块几乎什么都没有的区域

拍下了324张独立曝光影像

最终合成了哈伯望远镜的

第一张升空照片

也叫《哈伯升空》

这张照片上有3000多个亮点

这些不是星星

而是跟银河系一样

拥有数千亿颗恒星系

而这3000多个星系

也只占了整个天群面积的2400万分之一

三年后

哈伯望远镜生成了第二张升空照片

叫《哈伯南部升空》

同样的星系分布密度

同样的星系结构

甚至是同样的星系亮度

这张新的升空照片

跟三年前第一张升空照片看上去

并没有什么大的区别

这个就是咱们开头说的

宇宙是均匀的

因为这两张照片的相似度太高了

说明宇宙里星系的分布十分均匀

所以哈伯望远镜不管朝着哪个方向拍

最终得到的图像应该都是大同小异

2003年9月到2004年1月

哈伯望远镜对着天炉座方向

进行了长达113天的累计曝光

最终合成了《哈伯超级升空》

这次拍摄的天区大小要比前两次都大

大概是整个天区的1270万分之一

其中包含了大约1万个星系

里面最小最红的星系

是哈伯望远镜拍摄到的最遥远的星系

这些星系都在130亿光年之外

也就是说大家现在看到的

基本就是宇宙大爆炸后形成的第一批星系了

在哈伯升空照片出现之前

天文学家预测宇宙星系总量在千万级别

但哈伯升空说明

可观测宇宙内至少拥有一千亿个星系

而这些百亿光年外的星系

有的甚至都没来得及大规模生成恒形

所以这张照片

向人类展示了一个极其年轻的宇宙

就像当时媒体报道的那样

哈伯看到了大爆炸

说到宇宙大爆炸

目前天文学界对宇宙的年龄也有了一个共识

就是大约138亿年

在138亿年前

宇宙中所有的物质都被挤成了一个温度极高的点

在一瞬间这个点突然爆裂

构成宇宙的所有物质被送入太空

这个点爆裂的瞬间就是宇宙大爆炸

而且随着宇宙的不断膨胀

目前它的可观测纸件已经达到了930亿光年

可观测宇宙内发现了超过7万亿个星系

我们生活的地球只是宇宙尺度上的一粒沙尘

但是大家注意

这个930亿光年是人类可观测范围内的宇宙大小

也就是说人类目前的科技水平只能看到这么远

那可观测宇宙外的星系数量我们还不知道

很可能要比可观测宇宙内的星系数量还要多上好多倍

而且目前哈伯太空观眼镜最新的观测数据显示

宇宙并不是匀速膨胀,而是在加速膨胀

所以宇宙到底有多大?930亿光年吗?

我相信绝对不止

随着人类观测技术的进步

这个数值可能会在将来被刷新

就像咱们视频开头说到的大环

它的出现打破了我们原有的宇宙是均匀的理论

如果说它是唯一一个被发现的巨型结构

那有可能是个特例

但它并不是

三年前也就是2021年

洛佩茲他们的团队就发现过一个长达33亿光年的巨大结构

他们当时给这个结构命名为巨弧

这个巨弧和大环离得非常近

而且它们到地球的距离都差不多

大约都是92亿光年

所以洛佩茲他们团队觉得

这两个巨型结构很可能是一个更大结构的一部分

而根据宇宙大爆炸理论

宇宙诞生38万年之后

光才得以在宇宙中穿梭

哈伯作为一架光学望远镜

是看不到之前的38万年是什么样的

所以想要真正了解宇宙大爆炸之初发生了什么

还有这些巨大结构意味着什么

人类还要不断探索

也许有一天

我们就能发现宇宙诞生之初的那道光

宇宙诞生

宇宙诞生

宇宙诞生