一、困在太阳系

中小学地理课本讲天文知识，都喜欢搞一张下样的配图。

太阳系有八大行星，行星围绕太阳转，还有小行星带，还有哈雷彗星。

看似清楚明了好热闹，其实错得离谱，误导性极强。

因为真实的太阳系，这个比例完全不对！

天体之宏大，宇宙之空旷，超出了大多数人的想象力。

为了便于理解，大佬刘把太阳系压缩成我们日常可以理解的空间范围，让大家感受一下，我们地球所在的太阳系，到底有多大。

从我们最熟悉的太阳和地球开始。如果把太阳压缩成上图中这个约5厘米直径乒乓球大小的火球，那么，你在这张图片中是根本找不到地球的。因为地球将变成图外6.5米远的一个小小像素点。而此时的木星——太阳系最大的行星，是32米开外的一颗小米粒儿。如果把冥王星看成是太阳系的行星边缘，冥王星则是220米外一个不成像素点的点。

要是你对这个比例还是没感觉，你可以想象一个长100米、宽70米的标准足球场。那么，把太阳压缩成一个小鹌鹑蛋放在一边球门里，地球是3米开外的小灰尘，木星是16米远的一颗小沙子，冥王星则是对面球门里肉眼看不到的灰尘了。至于什么小行星带，你根本不用担心会撞上它们，因为想找它们都费老劲。

再或者，你把太阳系平面想象成你家乡面积约2400平方公里的县域面积。我们的太阳将会变成你老家长宽6米（面积40平米）的乡下小木屋，地球则是出门走8.2分钟大约700米外草坪上的一个乒乓球，木星是3.6公里外镇上店门口躺在婴儿车里睡觉晒太阳的小宝宝（70厘米长），冥王星则是27公里外县城街道上小朋友正在玩耍的直径仅为1厘米的小玻璃弹珠。在你以光速走5个多小时去县城的路上，你会发现周围空荡荡的啥也没有好孤单。

实际上，太阳系的范围远比上面描述的要空旷得多，要孤寂得多。海王星轨道范围的内层行星带，其实只是太阳系很小的一片区域。外面还有柯伊伯带，还有更广袤的奥尔特云区域。太阳系边缘远超大多数人的想象。

为了探索宇宙，人类在44年前，发射了著名的旅行者1号探测器飞船，带着代表人类文明的旅行者金唱片。

至今，旅行者1号已远离地球233亿千米，速度达到惊人的6.15万公里/小时，创下了人类最遥远人造物体的纪录。

可这么多年过去了，旅行者1号还在奥尔特云区域飞行，人类至今都还没飞出太阳系。

你不要惊讶，因为太阳系奥尔特云的直径超过2光年。1光年就是光走1年的距离，为9460730472580千米≈9.5万亿公里。

按当前旅行者的飞行速度，旅行者1号至少还要飞行上万年，才能离开太阳系。

二、星系之多

这想想都有点让人绝望，人类飞出太阳系竟然这么困难。

可当你抬头仰望星空，漫天的星辰无数。

夏日晴朗的夜晚，银河斜跨天际，而我们的太阳只不过是银河星尘中一颗微不足道的小星星。

如果我们跳出银河看银河，满天星辰将变成下图的圆盘状螺旋星系。可见的这个银盘直径超10万光年，有明显的5条主旋臂。

我们太阳系就在银心下方的猎户旋臂靠近内侧边缘的红色小圈位置上，距离银河系中心约2.64万光年，绕银心旋转一周约需2.2亿年。

银河系有超过1000亿颗像太阳这样的恒星。我们夏夜抬头看到的壮美星空，只是银河系中占比1%左右很小的一部分。

星系之大，已经足够让人惊叹。更让人惊叹的，是宇宙中星系之多。

多到什么程度？

1995年12月18日，在哈勃空间望远镜升空5年之后，它将镜头，对准到了北斗七星斗勺之上的一片天区。拍摄位置在大熊星座，影像范围仅144弧秒，等于是100米外的一颗网球大小，这个小小的天区，在我们人眼之中是一片虚无。

因为拍摄角度也就硬币那么大，取景范围只占据我们头顶夜空的2400万分之一。所以哈勃总计对这一小片区域进行了长达10天的连续拍摄，总共得到了342张独立的照片。

当研究人员把这342张照片叠加之后，最终于1996年1月，诞生了一个颠覆我们的认知，也是最震撼人类心灵的一幅影像，即哈勃深空场（Hubble Deep Field，简称HDF）。

通过哈勃深空视场（下图左边），我们认识到，在这仅有硬币大小的虚无之境，竟隐藏着惊人的景象，存在着至少1500个星系！

这些星系有大有小有远有近。近的距离地球只有百万光年，它们在图像中以明亮的蓝紫色显示；而距离地球遥远的星系，已经可追溯到130亿光年的宇宙早期，这些星系发出的光波，已被拉伸到了红外波段，在图像中以微弱的红光显示。

由于取景距离极远，哈勃深空场所包含的区域，几乎没有银河系中的恒星。所有的发光体，都是距离我们非常遥远的星系。这数以千计的前所未见的星系，无不是像我们银河系一样，各自拥有着数千亿颗恒星，直径达几万甚至几十万光年。但在宇宙浩渺的星辰大海中，它们看上去却像是零落的一只只浮游。

此后，哈勃于2003年和2012年再次对该区域更小视场和更深区域进行了拍摄，分别获得了哈勃超级深场（HUDF）和哈勃极端深场（XDF）两张太空影像。

2021年，人类更加先进的韦伯太空望远镜升空，再次对准了哈勃深空区域（下图右边）。韦伯更加清晰的影像，使我们更加认识到星系的繁多、宇宙的浩渺。

三、宇宙之广

韦伯望远镜作为一个二十多年的项目，投入了上百亿美元的资金，搭载了最精密的仪器和最先进的设备，是迄今为止人类建造的最昂贵、最强大的红外波段太空望远镜。

投入如此之多，为的就是能更加深入观测我们的宇宙，看看它到底长什么样子。

通过韦伯望远镜，我们发现宇宙是如此的美丽有生机，不仅有恒星老去爆炸后留下的优雅星云，还有星系间的紧密互动，更有孕育着恒星诞生的创生之柱。

（南环星云）

（史提芬五重星系）

（创生之柱）

把目光继续放得更远些，我们还可以看见无数星系构成了超大星系团。

再往宇宙的极深处望去，我们观测到了宇宙微波背景辐射。我们小时候用天线收看电视节目时的屏幕雪花，其实不是没有信号，雪花就是天线收到了来自宇宙极深背景的微波辐射。

可以想象：光的传播速度有限，如果在距离上还能够看得更远，我们就能回溯百亿年前的宇宙模样，探寻宇宙大爆炸中的第一缕光，回到创世之初。

四、宇宙大爆炸

随着人类对宇宙观察的不断深入，关于宇宙的起源和演变，终于有了一个完整的理论框架——大爆炸理论。

1927年，比利时天文和宇宙学家勒梅特，首次提出了大爆炸假说。1946年，美国物理学家伽莫夫，正式提出宇宙大爆炸理论。

虽然宇宙大爆炸理论当初只是一个猜想，但也是根据许多理论和观察事实可推导而出。大爆炸理论，作为宇宙起源的常识性理论，目前已被广泛接受。

大爆炸理论（The Big Bang Theory）认为：宇宙起源于一次大爆炸事件，大约在138亿年前，一个密度和质量无限大，体积无限小的炽热奇点发生了爆炸。

理解大爆炸理论，需要一点点现代量子力学的知识背景，前面两篇文章有介绍。

在大爆炸发生的极短瞬间，宇宙就连续产生了三次剧烈的相变。

10^-43秒之内，所有物理理论都是失效的。四种基本作用力，在这个时间点之前可能是统一的。

10^-43秒的时候，宇宙的温度冷却到10^32摄氏度，第一次相变，引力率先从四种基本作用力中分离出来。

10^-36秒的时候，宇宙的温度冷却到10^28摄氏度，第二次相变，强力又分离了出来。

10^-12秒的时候，宇宙的温度冷却到10^15摄氏度，第三次相变，弱力和电磁力分离。至此，四种基本作用力全部分离。

为什么四种力会分离呢？因为宇宙温度的变化引发了相变。就像水蒸汽的温度不断下降会凝结成水，然后冻成冰。四种力也一样，随着宇宙温度的下降发生了三次相变最终导致四种力的分离。

宇宙的相变，本质是对称破缺。可以简单理解为宇宙最开始高度对称，之后发生了三次对称破缺，每减少一部分对称性就分离出一种力。宇宙大爆炸后至少发生了七种对称破缺，宇宙从最开始的时候高度对称，之后在一次次的对称破缺中，宇宙的对称性不断降低，最终形成了我们现在这个宇宙。

我们再来看看粒子实物是如何产生的。我们知道，粒子最初是在真空中被能量激发出来的。宇宙的温度越高，能激发出的粒子质量越大。例如通过公式计算，激发出电子的临界温度是5.9*10^9摄氏度。

大爆炸后的10^-12秒，宇宙的温度为10^15摄氏度，这个温度超过了标准模型所有粒子的临界温度。因此在这个时刻之前，宇宙能在真空里面激发出所有类型的基本粒子，宇宙是一团以夸克、胶子、电子、光子为主的粒子云。

大爆炸后的10^-11秒，这是一个特殊的时刻，宇宙在这个时候发生了CP对称破缺。我们知道，能量在真空中同时激发出一对正粒子/反粒子，而正反粒子相遇会湮灭成光子，所以宇宙如果完全对称，真空中激发出来的粒子对就会全部变成光子。幸运的是，宇宙在10^-11秒的时候发生了CP对称破缺，导致产生的正物质比反物质多了十亿分之一，最终剩下了我们正物质的世界。

大爆炸后的10^-6秒，宇宙的温度降到10^10摄氏度，夸克开始结合在一起，形成质子和中子。

大爆炸后第3分钟到第20分钟，这时候的宇宙温度和太阳内核差不多，质子和中子开始聚变成氘、氦、锂等原子核。这时候宇宙主要由原子核、电子和光子三种物质组成。

大爆炸后第37万年，宇宙的温度下降到3000 K，原子核能抓住电子了，于是就形成了原子。之后原子在引力的聚集下，经过几亿年的演化，形成了恒星和星系，最终演变成我们今天的可观测宇宙。

总结一下宇宙大爆炸理论的框架过程：从能量角度观察，随着温度的降低，四种基本作用力一步步分离；从信息角度观察，宇宙最开始高度对称，之后至少发生了七次对称破缺；从物质角度观察，粒子先是从真空里面被激发出来，之后一步步聚集成恒星和星系。

宇宙大爆炸理论得到了许多观察和实验的证据，是目前关于宇宙起源和演化的最靠谱理论。

前面提到的宇宙微波背景辐射就是大爆炸理论的最直接证据之一。它是一种无线电波段的辐射，平均温度约为2.7 K，相当于宇宙大爆炸后留下的余辉。

根据大爆炸理论，宇宙中的物质和辐射在早期宇宙中是高度密集的，随着宇宙的膨胀和冷却，物质逐渐稳定为原子，吸收了热辐射并发出了光辐射。这些光子在宇宙中自由传播，直到被地球上的天文望远镜探测到。这些光子就是宇宙微波背景辐射，它揭示了宇宙早期的信息，为我们研究宇宙和解开宇宙之谜提供了珍贵的线索。

（宇宙微波背景辐射）

另一个重要证据来自美国天文学家哈勃，他发现距地球越远的星系，其远离地球的速度越快。1929年，哈勃根据假说提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。这意味着现在的宇宙仍在膨胀中，这反过来也说明了，在过去，宇宙中的星系是靠近在一起的。

当然，宇宙大爆炸理论并非没有争议，一些科学家对大爆炸理论提出了质疑，认为它尚不能解释宇宙的很多事情。

首先，大爆炸理论假设了一个极其密集的点作为宇宙的奇点，但这个点的起源和性质仍然是一个谜。这个点可能是由于某种原因自发形成的，比如时空涨落的不确定性突然导致了这次的能量聚集；这个点也可能是与黑洞对应的白洞的一次爆发，黑洞吞噬万物，所有物理规律都在黑洞事件视界范围内失效，时间也静止了，白洞则刚好相反，白洞喷发万物，创造物理规律，开启时间之旅。

其次，大爆炸理论并没有完全解释宇宙的膨胀速度和均匀性。宇宙中的某些区域可能存在比其它区域更快或更慢的膨胀速度，这将对宇宙的结构和演化产生重要影响。另外，大爆炸后的超光速膨胀，产生了现在930亿光年直径的可观测宇宙，那边界之外又是什么呢？

再次，大爆炸理论不能解释宇宙中可能存在的暗物质和暗能量等神秘现象。虽然我们已经知道这些物质对宇宙的结构和演化起着重要作用，但它们的本质和作用机制仍然不清楚。

为此，在大爆炸理论的基础上，现代天文学进一步发展成为宇宙暴胀场理论。

根据暴胀场模型，咱们宇宙的能量是从真空借来的。即某一个点的真空从高能态降到低能态，这个能量密度的跌落导致了宇宙暴胀。这个真空势能差，构成了我们可观测宇宙的两部分——急剧膨胀的空间和粒子态的实物。

如果暴胀场理论是正确的，我们没理由不相信在真空中的其它点，同样会发生暴胀，于是就产生了现在的多重宇宙观点。

多重宇宙，就像即将沸腾的水里面（高能密度真空），因为过热或其它因素，总会有多个点汽化成气泡，每个气泡（低能密度真空），就是一次宇宙大爆炸。我们的宇宙，只是这众多泡泡中的一个。

总之，大爆炸理论是现代宇宙学的主流理论之一，也是得到了最多的实验观测证实。尽管它存在这些挑战，科学家们也正在探索其它理论模型，但无论未来有什么新的发现或理论，宇宙大爆炸理论都将是我们理解宇宙起源和演变的一个框架，它帮助我们理解宇宙演变成今天所看到的巨大而复杂的结构。

宇宙大爆炸理论也激发了我们对自然的好奇心，使我们对未知的宇宙充满探索的欲望。