宇宙中有哪些细思恐极的事?

作者 / 胡子大叔

宇宙最细思恐极的是他的尺度和他的空旷。

很多人对光年完全没有概念,1000 亿光年在很多人的大脑里和 1000 亿公里没有什么区别。实际上,1 光年=9.4607×10^12 公里,约 63240 个天文单位,这个距离实在太大了,已经远超人脑的像,我们必须把他极速缩小到我们日常生活中的大小,这个问题才有思考的意义。

1.太阳系

我们现在不妨先把地球缩小到玻璃弹珠的大小,也就是 0.6cm 半径的一个球,地球的半径是 6000km,正好缩小了 10 亿倍,在这个尺度下,月球的半径是 0.17cm,也就一颗砂石大小,地月距离是 0.3m,和你家客厅茶几的半径差不多大,想象一下,在你家的客厅的茶几中间,有个小小的蓝色玻璃弹珠,在茶几边缘是一个石子正在绕着这个蓝色弹珠做圆周运动,这就是我们的地月系。

在这个体系下,光速是如此的缓慢,仅为 0.3m/s,约 1km/h,和风烛残年的老太太缓缓踱步或者海龟前行的速度相当。但这已经是这个宇宙速度极限了。

太阳的直径是 1.39m,像一个水上乐园常见的水上步行球。水星、金星、地球、火星分别距离这个大水球 60m,108m,150m,200m,他们组成了太阳系的内轨道。想象一下,在天安门城楼上有一个直径 1.39 米的大火球,金水桥上有一颗直径仅为 0.4cm 的炙热小白子(水星),长安街上有一颗直径 1.2cm 的金色弹珠(金星),旗杆处还有一颗直径 1.2cm 的蓝色弹珠(地球),花坛处还有一颗 0.6cm 的红色石子(火星)。

再往外呢?人民英雄纪念碑处有大量数以百万记的 PM2.5 和小尘埃,他们是这个星系的小行星带。木星轨道距离太阳 779 米(5 个天文单位),大约相当于毛主席纪念堂那摆了个直径 13cm 的篮球,有 79 颗大大小小的玻璃弹珠和小石子围绕这个篮球旋转,那是木星的卫星。土星和太阳的距离达到了 1.4km(10 个天文单位),几乎是木星的一倍,相当于在比大栅栏还略远的地方又一颗 11.6cm 直径的橄榄球,他拥有 82 颗卫星。

再往外就更加空旷了,天王星的轨道比土星又增加了一倍,达到了惊人的 3km(20 个天文单位),那是天坛公园附近一颗直径 5cm 的网球;海王星距离太阳 4.5km(30 个天文单位),那是一颗比二环路还略远的地方的一颗直径 4cm 的棒球。

如果把海王星的轨道比喻成二环路,那么太阳系的空旷程度已经令人乍舌了!四九城这么大的一片区域,竟然只有几个小球和一些弹珠。这个已经和我们想象中八大行星的分布已经有很大的不同了。事实上,让人没想到的是:八大行星之外的太阳系空间才叫空的惨绝人寰!

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旅行者一号,鹿豹座方向,柯伊伯带

再往外走,7.3km 在大约三环路附近我们遇见了冥王星,一颗直径 0.2cm 的小小石子。接下来是 7.7km 大红门附近的妊神星,0.09cm 的沙子;7.9km 北京大观园附近的鸟神星,0.18cm 的石子;14km 远在石景山区的霓神星,0.13cm 的砂石;他们构成了太阳系中的矮行星。

再往外,星际空间逐渐稀疏,当然你仍然可以找到一些彗星的远日点,但其实大多数彗星的远日点在柯伊伯带和矮行星公转平面内,比如哈雷彗星的远日点仅仅在 5.2km 处(中华世纪坛,35.1 个天文单位),那是一颗肉眼完全无法看见的细菌般大小的星星。在远达 50km(350 个天文单位)大约是整个北京直辖市的范围内,都是柯伊伯带和离散盘以及海王星外行星、彗星的活动范围。人类观测到的最远的彗星远日点是海尔波普彗星,其远日点在 54.5 公里之外(363 个天文单位)。

海尔 波普彗星

再延伸开去,在距离天安门城楼 50km 至 18000km(2 光年,12 万个天文单位 !)的范围内,都是空寂的奥尔特云。

这个奥尔特云已经大的没谱了,要知道地球的半径也就才 6000km,如果以天安门城楼为中心,把太阳系缩小十亿倍,地球变得像玻璃弹珠那么大,太阳系仍然充满了整个地球,而太阳系内的大部分星球竟然都聚集在天安门广场的狭小范围内!一个老太太以 0.3m/s 的速度,8 分 15s 走到旗杆处,4 小时 10 分钟就到了四九城老城根脚下,2 天的时间就走到了位于河北廊坊的奥尔特云边缘,仍然需要两年的昼夜兼程才能走完这 18000km 的漫长距离,才能穿过奥尔特云,抵达太阳系的边缘。

2. 银河系

奥尔特云是如此稀疏,每立方千米仅仅平均只有三个原子,然而和更加荒凉的银河系第二悬臂比起来,其密度已经接近无穷大。

让我们继续缩小比例尺,从 1:10 亿再缩小 10 万倍,到 1:100 万亿,来考察一下银河系里究竟有什么。

在这个比例尺下,1 天文单位=1.5mm,1 光年=90m,假设太阳系仍然在天安门城楼的正中央,整个奥尔特云的半径仅仅为 180m,大约是城楼到旗杆的距离。这个时候,太阳的直径为 13.9 微米,这已经是一个非常非常小的存在了,最小的尘埃都有 10 微米,而人的头发丝也有 50 微米。

地球的直径为 120nm,比最小细菌还要小 1 个数量级,和病毒相当,我们在这小小的病毒上建立了文明并开始观测宇宙。这个时候,海王星的外轨道半径是 4.5cm,整个太阳系的八大行星都在一个巴掌大小的轨道平面运行。

离我们最近的恒星是约 400m 的半人马座三星系统,在人民英雄纪念碑附近,其中一颗直径 150nm 的比邻星是离我们最近的恒星,他是一颗红矮星。他和我们远达 25 万个天文单位的距离在太阳系的尺度下已经大到没边,但在银河系的尺度下还真是天涯若比邻!

人马座三星,人民英雄纪念碑

蛇夫座的巴纳德星位于 500m 开外的人民大会堂一侧;两颗棕矮星构成的 luhman16,在 600m 之外的故宫午门;狮子座的沃夫 359 和大熊座的拉兰德 21185 位于 700m 外的新华门;然后是大名鼎鼎的天狼星双星,他是夜空中最亮的一颗星,他位于 800m 外的国家歌剧院上,人类的探测器旅行者一号将在十万年后到达这里(他现在刚刚抵达距离太阳 22cm 约 150 个天文单位的地方,正在龟速前行,需要 3 万年才能穿过奥尔特云);最像太阳的波江座天苑四位于 900m 开外故宫太和殿;而小犬座的南河三在 1000 多米开外的故宫保和殿……

大犬座天狼星,国家歌剧院,旅行者 1 号十万年后将造访这里

这些就是离太阳最近的星星们,在以天安门为中心,天安门广场 + 故宫(15 光年)的范围内,仅仅存在 32 颗大大小小的恒星,每一颗都比最小的微尘、最细的发丝要细小的多。这里是荒凉的银河系第二悬臂,人类星际航行面临的最大问题是孤独而荒凉的星际空间。

近距离恒星群

牛郎星和织女星都不算太远,分别位于天蝎座 1.4km(17 光年)的前门和天琴座 2.1km(25 光年)的琉璃厂。

70 年代收到的“Wow”信号据信来自于人馬座χ¹,这里是 3.6km(40 光年)外的先农坛,这似乎是人类距今为止发现的最像外星生物发出的电磁波。

人马座 X1,先农坛,神秘信号之源

有可能产生生命的最近的类地行星开普勒 186f 行星位于 40km(496 光年)开外位于首都国际机场的天鹅座开普勒 186 恒星,他拥有和地球一样的大气、水,位于宜居带内,如果人类要进行星际移民,这里必将是最佳的选择。

开普勒 186f,首都机场

天鹅座的开普勒 22b 是一颗被海洋包裹的蓝色行星,大小为地球的 2.4 倍,2009 年首次被发现,位于 50km(638 光年)外的八达岭长城。

开普勒 22b,八达岭长城

另外一颗和地球相似的开普勒 452b 位于 120km(1500 光年)开外的天津附近,人类最快的飞船新视野号将在 2500 万年后到达这里(现在在距离城楼 7.5cm,50 个天文单位处)。

开普勒 452b,天津

超级地球开普勒 69c 则位于 240(2800 光年)公里外的河北秦皇岛,据信这是最接近地球生态的类地行星,他的轨道距离是 1.04 个天文单位,而也正好是主序星的第三颗行星。

开普勒 69c,河北秦皇岛

没了,再没有了,小熊座的北极星位于 70 公里(840 光年)以外的密云水库附近,第二悬臂这里太荒凉了,我们不妨往银河系中心去看看。

马头星云是壮丽超新星爆炸的残骸,位于猎户座,是非常巨大的猎户座分子云团的一部分,位于 135km(1500 光年)外的河北保定,其本身的尘埃就蔓延了 20 光年之远,相当于泰山那么高的一团星际尘埃。星际尘埃在远距离的观测下似乎浓得化不开,但实际上也是稀薄如奥尔特云一样的存在。

猎户座马头星云,河北保定

人类发现的第一颗脉冲星 PSR B1919+21(“小绿人 1 号”),是狐狸座的一颗不起眼的星星,视星等为 6。但其自转周期仅为 1.33s,用射电望远镜观看非常明亮。位于距离地球 190km(2200 光年)的河北衡水,他就像一颗不知疲倦的灯塔,以超高速度飞速旋转,向外发射脉冲信号。(或许真是智慧文明创造出来的宇宙灯塔?)

狐狸座脉冲星“小绿人”,河北衡水

银河系最大的恒星是盾牌座 UY 星,位于 450km(5000 光年)外的山东潍坊,直径是太阳的 1800 倍,达到了 2.5cm,比乒乓球还要大一些,光绕行一周需要 8 个小时。

盾牌座 UY,山东潍坊

“万马奔腾”是同样位于人马座的巨大星际云。是 360 公里(4100 光年)外的山东聊城的礁湖星云的一部分。视星等为 6,视尺度 90*40 弧分。无数恒星在这里坍塌、死亡、重生。其中包含由 O 型星引起的龙卷风结构、由 B 型超新星爆炸引起的沙漏型结构,蔚为大观。

人马座礁湖星云“万马奔腾”奇景,山东聊城

创生之柱是 600 公里(7000 光年)外位于江苏徐州的鹰星云,在巨蛇座的尾部。他是在大質量的 O 型和 B 型恆星所創建,還在逐漸擴大的 H II 區邊緣發現的。這些恆星通過強烈的紫外線輻射,推擠在附近太空中的星際物質而形成。象鼻管看起來像是大柱子或成列的氣體和塵埃。本身就是横亘在我们和银心之中的珠穆朗玛,是银河系非常壮观的屋脊般的存在。因为这团尘埃的影响,人类在可见光波段无法观测到银心的全貌,不得不发射红外光探测器詹姆斯伟伯来观测银河系的中心。

巨蛇座创生之柱,江苏徐州

人类历史上观测到最明亮的超新星是距离 640km(7300 光年)位于河南商丘的豺狼座 SN1006。在半人马座东 1 度的地方,1006 年 4 月 30 日与 5 月 1 日之间,他的视星等达到了惊人的 -7.5,在夜空中明如皓月一般。埃及、欧洲、宋朝都有大量关于此次超新星爆发的记载。

《宋史·卷五十六 志第九·景星》:“景德三年四月戊寅,周伯星见,出氐南骑官西一度,状如半月,有芒角,煌煌然可以鉴物,历库楼东,八月,随天轮入浊,十一月,复见在氐。自是常以十一月辰见东方,八月西南入浊。”

远在美国的印第安人在霍霍卡岩画上亦记录了这颗超新星的爆发。

豺狼座 SN1006 残骸,河南商丘

而四百年前观测到的蛇夫座超新星 1604 则位于 1800km(20000 光年)的广州。他是人类观测史上持续时间最长的超新星爆发。

《明史》天文志记载:“(万历)三十二年九月乙丑,尾分有星如弹丸,色赤黄,见西南方,至十月而隐。十二月辛酉,转出东南方,仍尾分。明年二月渐暗,八月丁卯始灭。”

猎户座超新星 1604 残骸,位于广州

这是人类历史上第一次详细记录超新星的爆发全过程,其爆发持续两年(1604 年 -1606 年,坊间传闻该超新星爆炸和地球小冰期以及明朝灭亡有关),高峰时曾成为全天最亮的恒星,也比金星外的其他行星亮,视星等为−2.5。试想一下,一个在天安门城楼上比晶体纳米还要微小的星球上的生命观测到了广州一颗白织灯灯丝的爆炸,并持续两年,这不得不说是一件非常神奇的事。

“太空烟花”是同样 1800km(20000 光年)云南红河方向船底座 NGC3603,一团主序星被一团团生在生长成恒星的星际气体和灰尘包围环绕。这里拥有大量 250 万年内的新生恒星,堪称“银河育婴房”。

船底座“太空礼花”,云南红河

越靠近银心越瑰丽不是吗?位于人马座的牡丹星云恒星 WR 102ka 距离地球 2340km(26,000 光年)的海南三亚,其初始质量为 150-200 个太阳质量。如此大质量的恒星在宇宙中非常罕见,而且至今对天文物理学家来说都是一个难解之谜,因为这个质量已经超过了爱丁顿极限所推算的单一恒星质量的最大值。超越这个极限的恒星非常不稳定,会通过连续不断的恒星风,流失了大量的物质,试图维持恒星重力和辐射压力之间平衡。从理论上说,这种恒星无法保持自身的完整性,必须分裂成两颗或者更多恒星。可惜的是,由于位于徐州的创生之柱的遮挡,我们无法用肉眼观测到牡丹星云,只能通过红外波望远镜进行观测。

人马座牡丹星云,海南三亚

银河系的中心位于牡丹星云更远的南中国海,於人馬座、蛇夫座與天蠍座之间,距离地球 2900km(36000 光年),这里是“银河帝国”的首都。百亿颗恒星在 5000 光年半径的平面内运行,最中央是一颗施瓦西半径为 440 微米(0.3 个天文单位)的超大黑洞,其质量为 430 万个太阳质量,他的吸积盘更是波澜壮阔,因为星际尘埃的遮挡,我们很难想象银心可见光波段的瑰丽雄奇。

人马座、蛇夫座、天蝎座中心黑洞(白色亮点处),海南三沙(3.6 万光年)

银河系中心无疑是瑰丽雄奇的,从银河系反方向寻找,我们将在 6000km(70000 光年)处到达银河系的边缘,在这个比例尺下,银河系恰好又是地球大小的一个存在。上万亿颗肉眼不可见的尘埃飘浮其中,银河系有他自己的传说,可以想见,无数智慧生命以各种各样的形态:人般的、巨兽般的、昆虫般的、异型般的、细菌般的、蜥蜴般的、飞鸟般的、游鱼般的、水母般的、尘埃般的、植物般的;粘液的、干扁的、湿润的、晶体的、网状的、线状的、块状的、羽状的、鳞状的、树状的、星状的、软体的、机械的、油腻的、清爽的;独立的、索居的、社群的、联合的、共生的、共享的、寄生的、合作的、竞争的、对抗的、战争的;地表的、地下的、水中的、空中的、气体中的、冰下海洋中的、森林中的、冰原上的、岩浆中的、云朵中的、地核中的、流沙中的、硫黄中的、飞船中的、恒星上的、星云中的;固态的、液态的、气态的、流体态的、金属态的、纯能态的;碳基的,硅基的,硼基的…..都在这个巨大的世界中创造着自己的绚烂文明、书写着自己的英雄史诗。而当我们回到比例尺设定的那个位于城楼上巴掌的小点…

开普勒 7711 天空想象图

再来看一眼这个小点。就在这里。这就是家。这就是我们。在这个小点上,每一个你爱的人,每一个你认识的人,每一个你听说过的人,每一个人,无论他是谁,都曾经生活过。我们所有的快乐和挣扎,数以千万自傲的宗教信仰、思想体系观念意识,以及经济学原理教义,每一个猎人或征服者,每一位勇士或是懦夫,每一个文明的缔造者或摧毁者,每一位君王或农夫,每一对陷入爱河的年轻伴侣,每一位为人父母者,所有充满希望的小孩,发明家或探险者,每一位灵魂导师,每一个腐败的政客,每一个所谓的‘超级巨星’,每一个所谓的‘最伟大领袖’,每一位我们人类史上的圣人或是罪人,每一个自以为是的你我他,每一个你所见的、不曾见的、梦中的……我们的一切一切,全部都存在于这样一粒悬浮在一束阳光中的尘埃上

从另外一个方向,恰恰是因为其的无限空旷,让星际交流变得不可能,光速是相对论速度的极限,但是真的太慢了。在这个比例尺下,光速只有 3 微米 /s!连一只蜗牛的速度都是他的 300 倍!我不知道自然界有什么样的生物能够慢得如此惊世骇俗,五个小时的时间才能走过拇指大的距离,寒来暑往一年的时间才能慢吞吞地越过城楼前面的长安街。

星际航行因为恒星间的空旷让我们绝望,实际上,虽然银河繁星璀璨,但是平均密度比奥尔特云还要稀薄

请看下面关于星际旅行的描写,是描写警察在星际追捕罪犯:
……警务飞船紧咬着走私飞船,掠过了一个又一个星球。每经过一个星球时,走私飞船船长都仔细观察星球的地貌,他急切地想找到一个地形合适的星球降落,同追击者决战,但一直找不到,只好回头看看越逼越近的警务飞船,咬紧牙关继续向前飞去……

以上情节都是来自国内的科幻小说。给读者的印象是,宇宙比警匪片中的小镇子大不了多少,太空中的星球也就象小镇路边的一家家商店似的;后者使读者觉得,以光速级速度飞行的恒星际飞船的行为同大街上的出租车差不多。在这样的描写中,作者对宇宙的宏大是麻木不仁的。

一艘巨大的宇宙飞船,在漆黑寂静的太空中飞向一个遥远的目标,它要用两千年时间加速,保持巡航速度三千年,再用两千年减速。飞船本身则经历了上百个“王朝更迭”。飞船上一代又一代的人出生又死去,灿烂的文化兴衰在这个小小的世界被重演;飞船的出发史已经如三皇五帝般成为遥远的传说,地球已经成了上古时代虚无飘渺的梦幻,飞船上考古学家们从飞船沧海桑田的历史遗迹中已找不到可以证实它存在证据。那遥远的目的地也成了一个流传了几千年的神话,成了一个宗教的幻影。

而更令人窒息的是,这艘历经人类文明史的超级飞船的目的地是天狼星,对我们而言,这个距离在银河系中也仅仅是家门口般的存在

这就是我们的宇宙细思恐极的地方,我们完全无法理解造物主设置这样一个惨绝人寰惊世骇俗石破天惊惊天泣地波澜壮阔的硕大空间意义何在。但文明间的交流也恰恰因为光速的限制变得不可能,这也许也是费米悖论的另一个解释吧。

3. 本星系团

天哪,银河系外还有星系。就算缩小了比例尺,这也是天文单位般的巨大存在,对于人类大脑的理解而言,已经可以说和我们毫无关系了。如果从理论上无法突破光速的桎梏,恒星系间天文单位的寂寥空间就是人类永远的结界。

仙女座星云,254 万光年

来源:知乎

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