看看宇宙去

戰(zhàn)國時代就說“四方上下曰宇，古往今來曰宙”，所以，宇宙指的就是物質(zhì)世界和時空的統(tǒng)一體，哪里有物質(zhì)存在，哪里就是宇宙的范圍和空間。這就是說，宇宙就是一切，宇宙之外是無。宇宙學所研究的，就是這個總體的物理狀況和變化過程。我們抬頭看天，能見到的是滿天光點，其中離我們較近的光點是恒星，遠的光點不是恒星，而是眾多恒星組成的恒星集團，叫星系。還有許多肉眼見不到的，甚至連望遠鏡也看不見的天體。宇宙學不研究這些天體本身，那是天文學和天體物理學的任務，宇宙學是借助這些天體帶來的信息，研究宇宙的整體行為。

量天的尺子

圖8－1　近恒星的測距(三角法)

要想了解宇宙，重要的是先要量出天體的距離，以便進一步去了解天體的分布情況。地面上測距常用三角法，這是最基本、最直接的方法。比如要測量某一塔頂?shù)母叨?，我們可以在塔底兩?cè)找兩個點，測出兩點距離，并測出從兩點觀測塔頂?shù)膬梢暰€之間的夾角(稱為塔頂?shù)膹埥?，就可根據(jù)三角知識定出塔的高度。如果塔太高，夾角太小測不準確，就得選取相距較遠的兩個點才行。如果要測量某個亮星的距離，如圖8－1所示，在地球上不可能找到兩個合適的點了，因為地球上相距最遠的兩點之間距離也就是地球直徑，對這種測量來說仍嫌太小。我們可以采用相隔半年的兩次觀測，這樣，兩個觀測點之間的距離就是地球繞太陽公轉(zhuǎn)軌道的直徑(大約3億千米)，這是地球上的我們所能利用的最大距離了。

如果對同一顆星相隔半年的兩次觀測，其視線之間的夾角為1秒(即度)，可以算出該星的距離是3．09×10¹⁶米，即3．26光年(光速每秒3×10⁸米，1年走過的路程叫1光年)，這個距離叫做1秒差距，記為1pc。離我們最近的恒星叫南門二，也稱毗鄰星，距離約為1.33pc。如果測出某星的張角為0．1秒，則距離是10pc。用三角法測量100pc范圍內(nèi)的亮星是有效的，再遠的星張角太小就不行了。

好在人們已經(jīng)找到了多種其他的測距方法，通過光譜或亮度的間接測量，或借助于星系的某些特性進行測量，如今可以將測距能力延伸到10¹⁰ pc。這就為了解可觀測宇宙的立體結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件。

宇宙的層次性結(jié)構(gòu)

測量恒星距離帶來的第一個重要收獲就是對銀河的認識。銀河俗稱天河，由大約10¹¹顆恒星(包括我們的太陽)組成，絕大部分都分布在一條光帶上，形成扁平的盤狀叫銀盤，其中心稱為銀心或銀核。盤的直徑約25kpc，厚約2kpc。盤外的恒星較少，說明銀河系內(nèi)恒星分布不是均勻的。見圖8－2或見圖4－2。

進一步的觀測證明，在銀河系外還有許多與銀河系平等級別的星系。它們有大有小，小的有百萬多顆恒星;大的多達幾萬億顆恒星。由于離地球很遠，我們看上去也不過是個光點而已，其實它的分布范圍也是很大的。星系不僅有大小之分，而且形狀各異，有橢圓狀的、旋渦狀的、棒旋狀的和不規(guī)則狀的。已觀測到的星系已超過10¹¹個。

圖8－2　銀河系全景

星系在天上的分布看起來比恒星的分布要均勻得多了，但也有相聚結(jié)團的現(xiàn)象，組成星系團。星系團的分布顯得更均勻些，因此，在大尺度的范圍來看，宇宙的分布是均勻的。但是，星系的結(jié)團性比恒星構(gòu)成星系的結(jié)團性要弱，所以宇宙學上都把星系看作組成宇宙的基本單元，好比是組成氣體的分子，當然分子也有自己的組成。總之，宇宙的結(jié)構(gòu)是有層次性的。

實際的星系分布并不均勻，曼德布羅特認為像是分形結(jié)構(gòu)。有人甚至算出其分維是1．2。蓋勒(M．Geller)和哈希拉(J．Huchra)用分形模型來研究星系分布的統(tǒng)計特性，結(jié)果表明，宇宙在極大標度上不是個純粹的分形，而表現(xiàn)為一個“多重分形”。在宇宙學看來，這只是細節(jié)問題，在研究宇宙的整體行為和演化時，把星系當成個質(zhì)點看待是無關大局的。

星系的質(zhì)量

設星系的總質(zhì)量M全集中在該星系的中心(質(zhì)心)，在引力作用下各恒星繞它做圓軌道運動。如距中心r遠有一顆質(zhì)量m的恒星，則根據(jù)牛頓第二定律和萬有引力定律，該恒星的運動方程為:

其中，G是引力常數(shù);υ為恒星繞中心的線速度，可由星系自轉(zhuǎn)速度算出;而r可測量。于是星系總質(zhì)量:

就是可知的了。比如，求出銀河系總質(zhì)量為2．89×10⁴¹千克，約合10¹¹個太陽質(zhì)量。這是個典型的星系質(zhì)量數(shù)據(jù)。按這種方法測出的質(zhì)量叫做動力學質(zhì)量。

星系是發(fā)光的，通過測量它的亮度也可推知它的質(zhì)量，這樣問接測出的質(zhì)量叫光度質(zhì)量。但測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，動力學質(zhì)量總是比光度質(zhì)量大好多。這說明，星系中存在有暗物質(zhì)，它不發(fā)光，所以用測光方法發(fā)現(xiàn)不了它，而且宇宙間的暗物質(zhì)還相當多，它比發(fā)光物質(zhì)要多出數(shù)十倍甚至上百倍，它主宰著宇宙的運動和演化。

為有一個數(shù)量級的概念，表8－1給出了一些重要天體的質(zhì)量和本身尺度的數(shù)據(jù)。

表8－1　一些重要天體或天體系統(tǒng)的質(zhì)量和尺度

宇宙學原理

上面已經(jīng)提到，星系內(nèi)的恒星分布是不均勻的，但星系在宇宙中的分布比較均勻，星系團的分布就更均勻了。這就是說，宇宙在大尺度上看，其物質(zhì)分布是均勻的。這個認識來之不易，它是經(jīng)歷了幾個世紀才得到的。人們總希望以自己為中心，古代亞里士多德(Aristatle，前384—322年)和托勒密(Ptolemy，約100—170年)把地球當作宇宙中心，認為太陽和一切天體繞地球轉(zhuǎn)動;后來哥白尼(N．Copernicus，1473—1543年)又把太陽當做宇宙中心，為此哥白尼和伽利略等遭受政治和宗教的迫害，布魯諾(G．Bruno，1548—1600年)被活活燒死;其實太陽也在繞銀河系中心轉(zhuǎn)，而銀河系也不是宇宙的中心。許許多多的星系共同組成幾乎是均勻分布的宇宙，哪一個星系都不是宇宙的中心，它們都是平權(quán)的，宇宙根本就沒有中心!在任何星系上看宇宙，結(jié)果和規(guī)律應該是一樣的，同一時刻從任何方向看宇宙結(jié)果也是一樣的。若進一步研究宇宙，都要以“宇宙整體分布是均勻的，各向同性的，沒有中心的”為基礎，這被稱為是宇宙學原理。實際上，宇宙物質(zhì)分布的均勻性并沒有直接觀測證據(jù)，它只是在大尺度范圍的趨勢和近似，嚴格說這只是個簡化的假設。如果用它處理問題的話，將要受到考驗。