看看宇宙去

看看宇宙去

战国时代就说“四方上下曰宇，古往今来曰宙”，所以，宇宙指的就是物质世界和时空的统一体，哪里有物质存在，哪里就是宇宙的范围和空间。这就是说，宇宙就是一切，宇宙之外是无。宇宙学所研究的，就是这个总体的物理状况和变化过程。我们抬头看天，能见到的是满天光点，其中离我们较近的光点是恒星，远的光点不是恒星，而是众多恒星组成的恒星集团，叫星系。还有许多肉眼见不到的，甚至连望远镜也看不见的天体。宇宙学不研究这些天体本身，那是天文学和天体物理学的任务，宇宙学是借助这些天体带来的信息，研究宇宙的整体行为。

量天的尺子

图8－1　近恒星的测距(三角法)

要想了解宇宙，重要的是先要量出天体的距离，以便进一步去了解天体的分布情况。地面上测距常用三角法，这是最基本、最直接的方法。比如要测量某一塔顶的高度，我们可以在塔底两侧找两个点，测出两点距离，并测出从两点观测塔顶的两视线之间的夹角(称为塔顶的张角)，就可根据三角知识定出塔的高度。如果塔太高，夹角太小测不准确，就得选取相距较远的两个点才行。如果要测量某个亮星的距离，如图8－1所示，在地球上不可能找到两个合适的点了，因为地球上相距最远的两点之间距离也就是地球直径，对这种测量来说仍嫌太小。我们可以采用相隔半年的两次观测，这样，两个观测点之间的距离就是地球绕太阳公转轨道的直径(大约3亿千米)，这是地球上的我们所能利用的最大距离了。

如果对同一颗星相隔半年的两次观测，其视线之间的夹角为1秒(即度)，可以算出该星的距离是3．09×10¹⁶米，即3．26光年(光速每秒3×10⁸米，1年走过的路程叫1光年)，这个距离叫做1秒差距，记为1pc。离我们最近的恒星叫南门二，也称毗邻星，距离约为1.33pc。如果测出某星的张角为0．1秒，则距离是10pc。用三角法测量100pc范围内的亮星是有效的，再远的星张角太小就不行了。

好在人们已经找到了多种其他的测距方法，通过光谱或亮度的间接测量，或借助于星系的某些特性进行测量，如今可以将测距能力延伸到10¹⁰ pc。这就为了解可观测宇宙的立体结构创造了条件。

宇宙的层次性结构

测量恒星距离带来的第一个重要收获就是对银河的认识。银河俗称天河，由大约10¹¹颗恒星(包括我们的太阳)组成，绝大部分都分布在一条光带上，形成扁平的盘状叫银盘，其中心称为银心或银核。盘的直径约25kpc，厚约2kpc。盘外的恒星较少，说明银河系内恒星分布不是均匀的。见图8－2或见图4－2。

进一步的观测证明，在银河系外还有许多与银河系平等级别的星系。它们有大有小，小的有百万多颗恒星;大的多达几万亿颗恒星。由于离地球很远，我们看上去也不过是个光点而已，其实它的分布范围也是很大的。星系不仅有大小之分，而且形状各异，有椭圆状的、旋涡状的、棒旋状的和不规则状的。已观测到的星系已超过10¹¹个。

图8－2　银河系全景

星系在天上的分布看起来比恒星的分布要均匀得多了，但也有相聚结团的现象，组成星系团。星系团的分布显得更均匀些，因此，在大尺度的范围来看，宇宙的分布是均匀的。但是，星系的结团性比恒星构成星系的结团性要弱，所以宇宙学上都把星系看作组成宇宙的基本单元，好比是组成气体的分子，当然分子也有自己的组成。总之，宇宙的结构是有层次性的。

实际的星系分布并不均匀，曼德布罗特认为像是分形结构。有人甚至算出其分维是1．2。盖勒(M．Geller)和哈希拉(J．Huchra)用分形模型来研究星系分布的统计特性，结果表明，宇宙在极大标度上不是个纯粹的分形，而表现为一个“多重分形”。在宇宙学看来，这只是细节问题，在研究宇宙的整体行为和演化时，把星系当成个质点看待是无关大局的。

星系的质量

设星系的总质量M全集中在该星系的中心(质心)，在引力作用下各恒星绕它做圆轨道运动。如距中心r远有一颗质量m的恒星，则根据牛顿第二定律和万有引力定律，该恒星的运动方程为:

其中，G是引力常数;υ为恒星绕中心的线速度，可由星系自转速度算出;而r可测量。于是星系总质量:

就是可知的了。比如，求出银河系总质量为2．89×10⁴¹千克，约合10¹¹个太阳质量。这是个典型的星系质量数据。按这种方法测出的质量叫做动力学质量。

星系是发光的，通过测量它的亮度也可推知它的质量，这样问接测出的质量叫光度质量。但测量结果发现，动力学质量总是比光度质量大好多。这说明，星系中存在有暗物质，它不发光，所以用测光方法发现不了它，而且宇宙间的暗物质还相当多，它比发光物质要多出数十倍甚至上百倍，它主宰着宇宙的运动和演化。

为有一个数量级的概念，表8－1给出了一些重要天体的质量和本身尺度的数据。

表8－1　一些重要天体或天体系统的质量和尺度

宇宙学原理

上面已经提到，星系内的恒星分布是不均匀的，但星系在宇宙中的分布比较均匀，星系团的分布就更均匀了。这就是说，宇宙在大尺度上看，其物质分布是均匀的。这个认识来之不易，它是经历了几个世纪才得到的。人们总希望以自己为中心，古代亚里士多德(Aristatle，前384—322年)和托勒密(Ptolemy，约100—170年)把地球当作宇宙中心，认为太阳和一切天体绕地球转动;后来哥白尼(N．Copernicus，1473—1543年)又把太阳当做宇宙中心，为此哥白尼和伽利略等遭受政治和宗教的迫害，布鲁诺(G．Bruno，1548—1600年)被活活烧死;其实太阳也在绕银河系中心转，而银河系也不是宇宙的中心。许许多多的星系共同组成几乎是均匀分布的宇宙，哪一个星系都不是宇宙的中心，它们都是平权的，宇宙根本就没有中心!在任何星系上看宇宙，结果和规律应该是一样的，同一时刻从任何方向看宇宙结果也是一样的。若进一步研究宇宙，都要以“宇宙整体分布是均匀的，各向同性的，没有中心的”为基础，这被称为是宇宙学原理。实际上，宇宙物质分布的均匀性并没有直接观测证据，它只是在大尺度范围的趋势和近似，严格说这只是个简化的假设。如果用它处理问题的话，将要受到考验。