宇宙尽头的计算方法

A. 宇宙尽头有限还是无限,大家有什么高见啊

有限的是物理所研究的，是指物理上现在可观察到的宇宙。无限宇宙是超越物理范围的，现在观测不到的未必就是不存在的。应该是无限的。马克思恩格斯等哲学家都坚持宇宙无限论。

深入反思了宇宙概念，宇宙有限无限问题，提出了宇

宙概念的定义（哲学的、科学的）；指出了黑格尔哲学关于有限无限分

析用之于宇宙有限无限问题时，具有局限性，这在于有不同的语境；恩

格斯关于宇宙有限无限问题的分析有自然哲学的思考，也有哲学的、认

识论的思考，既联系又区别，不可混淆；从概念的自身逻辑，论证了宇

宙是有限与无限的统一；最后，结合非线性科学，深刻思考了宇宙有限

无限的本质，即是存在与演化的统一。
一、宇宙概念的发端及启示
西方公认宇宙概念源于中国。如《简明不列颠网络全书》宇

宙条目上写道：“宇宙。中国哲学术语。天地万物的总称。”（第9卷

，第230页）的确，在世界哲学科学史上，宇宙概念最早始于管子（

约前725－前625）：“天地万物之橐，宙合有橐天地。”（《管

子·宙合》）就是说，天地为万物之口袋，宙合又是天地的口袋。按《

说文》，“宙，舟车所极覆也。”即舟车所到之处。《广雅》中“合”

释为器。“宙合”可直译为，舟车所到之处形成的“盒子”。在管子这

里，“宙合”作为一个词组构建了一个原始的反映时间与空间相统一的

概念，因为舟车行进需要时间与空间。管子说：“宙合之意，上通于天

之上，下泉于地之下，外出于四海之外，合络天地以为一裹。散之至于

无间，不可名而山，是大之无外，小之无内。古曰有橐天地。”（《管

子·宙合》）这表明宙合不仅装天地，而且可以散开，犹如口袋可以散

开一样，或许意味着宙合具有扩展性或开放性。我们认为，宙合的“大

之无外，小之无内”反映了宙合的唯一性和整体性，而不是表明宙合在

大小两方面都是无限的。
而在墨子那里：“久，弥异所也。”（《墨子·经上》）“

宇，蒙东西南北。”（《经说上》）“久，弥异时也。”（《经上》）

“久，合古今旦莫（暮）。”（《经说上》）其中一个“弥”字反映了

宇、久的连绵性、连续性，与管子把宙合当口袋的看法有一定差别。就

当时的认识水平来看，这种差别极为自然，反映了一个问题的两个侧面

。其一是从“尺度”的大小着眼，其二是从“变化”连续性着眼。可见

，宇指称的是事物可以前后左右上下运动的一种状况、情态；宙指称的

是事物运动历经古今旦暮这样一种过程、情态。
从感性直观到宇宙的最初概念，又从感性认识上升到理性抽

象，以洞晓宇宙的根本。春秋时期的子华子从“道”的角度来认识宇宙

，并将宇宙与物质联系起来。他说：“惟道无定形，虚凝为一气，散布

为万物，宇宙也者，所以载道而传焉者也。”“宇者，情相接也；宙者

，理相通也。”（《子华子·孔子赠》）宇宙概念的明确定义是战国时

期的尸子：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”使得子华子引入的“宇

宙”概念至今不衰。易见，尸子定义的宇与宙并没有大小涵义与有限无

限涵义。
但是，有限无限的概念在《墨经》中已经有了。“穷，或不

容尺，有穷。莫不容尺，无穷也”。（《墨子·经说上》）“久，有穷

无穷。”（《墨子·经说上》）宇与宙的关系也得到了反映，“长宇，

徙而有（又）处，宇南宇北，有旦有（又）在莫：宇徙久。”（《墨子

·经说下》）“长宇久。”（《墨子·经上》）在庄子那里，明确提出

了宇宙具有无限性：“有实而无乎处者，宇也。有长而无本剽者，宙也

。”（《庄子·庚桑楚》）
随着汉代自然科学的发展，宇宙概念得到丰富并发生分化。

张衡从科学的角度点明时空的无限性，他说：“八极之维，径二亿三万

二千三百里，南北则短千里，东西则广增千里。自地至天，半八极。过

此而往者，未知或知也。未之或知者，宇宙之谓也。宇之表无极，宙之

端无穷。”（《张河间集·灵宪》）在张衡看来，宇宙有知（定量）与

未知之分，可以认为，这正是观测宇宙与一般宇宙概念的萌芽。而比张

衡略早的扬雄则主张：“阖天谓之宇，辟宇谓之宙。”（《太玄·玄摘

》）即时间有起点，空间可以“阖”起来，或许表明宇是有限的。
纵观中国古代宇宙学说，历经宇宙概念完善，宇宙有限无限

的明确表述，到形成完整的落下闳－－张衡浑天宇宙模型（代表表达）

，没有产生多宇宙思想。在西方，古希腊的阿拉克西曼德（约前610

－前546）从万物的本原阿派朗（qpeiron，有译为无限者，也有译

为无定体、无定限体）出发，认为宇宙是无限的。阿拉克西曼德的无限

宇宙，没有明确指出宇宙空间尺度无限大，明确指出了宇宙物质具有永

恒的运动，同时他还认为有无数个天和世界。（汪子蒿等，《希腊哲学

史》，第1卷，人民出版社，1988年版，第190－209页）宇

宙是指大地、日、月、星辰等，究竟宇宙与无数个天和世界有什么关系

？阿拉克西曼德并没有说明。但是，从本原阿派朗的角度来看，由阿派

朗的统一性，我们可以推断这无数个天与世界是一个完整的整体。西方

明确提出宇宙概念的是毕达哥拉斯学派，其中最着名的菲罗劳斯

（Philolaus，生于约前474年）学说认为：在宇宙（cosmos）之外

还有无限的虚气。菲罗劳斯的宇宙是一个可以用数表达的天地系统。管

子的“宙合”概念较毕达哥拉斯学派的cosmos概念早近200年左右，

而为现代宇宙学所接受的“上下四方曰宇，往古来今曰宙”的宇宙概念

与cosmos又是同时代的。这从一个侧面反映了人类进化、人类思维发展

的一致性。近代学者布鲁诺认为，宇宙是无限的，无限的宇宙中含有无

数个世界，宇宙是一，而众世界是无数。因此，布鲁诺的宇宙仍是一个

统一的整体。西方宇宙概念及宇宙模型的发展，无论宇宙是有限形式（

如亚里士多德、托勒玫的地心系统等），还是无限宇宙形式（如布鲁诺

、牛顿的宇宙模型等）以及爱因斯坦的有限无边宇宙模型、现代宇宙学

模型、〔如量子宇宙学中，林德（A．D．Linde）的混沌暴涨宇宙模型

认为。极早期宇宙经暴涨之后产生了很多的微小宇宙。但是普朗克时代

的量子宇宙仅有一个。（拙作《云南社会科学》，1993年第2期，

第45页）〕，宇宙就是一个整体，力图反映物质的整体存在，而且宇

宙有定量特征。值得我们注意的是，西方并没有给出一个公认的时间与

空间概念。即使在牛顿的《自然哲学之数学原理》中，也没有定义时间

和空间，而是在《定义》部分的注释中做了说明。在牛顿看来，为去掉

常人的偏见，提出绝对时空与相对时空更方便些。（阎康年着《牛顿的

科学发现与科学思想》，湖南教育出版社，1989年版，第354页

）
一当自然科学从哲学中分离出来，哲学与自然科学就从不同

的角度反映同一个本体世界，形成了哲学世界图景和科学世界图景，这

两种图景并不重合，有联系有区别。哲学试图从定性的角度来反映物质

世界、精神世界、人类社会等共相概念。而自然科学，特别是物理学、

现代宇宙学力图从定量的角度揭示物质世界某一侧面或物质世界整体的

某些方面的性质，即反映物质世界的殊相概念。因此对宇宙、宇宙有限

无限的把握，导致了哲学与科学两种图景。有的学者也表达了类似见解

。（吴国盛《自然辩证法研究》，1993年第2期，第47－52页

）所以我们认为，时间、空间及宇宙概念有科学与哲学之分。
（1）物理学或宇宙学的定义：时间是描述物质运动持续性

的一个物理概念。空间是描述物质运动广延性的一个物理概念。宇宙或

物理宇宙是标志物质运动持续性与广延性整体存在的一个物理概念，是

物质的整体，具有量的特征，可以为数学把握。
（2）哲学定义：时间是描述物质运动持续性的一个哲学范

畴。空间是描述物质运动广延性的一个哲学范畴。宇宙是标志物质世界

整体存在的一个哲学范畴。
刘辽教授曾指出，宇宙就是存在的整体。（《＜原理＞－－

时代的巨着》，西南交大出版社，1988年，第96页）从这个意义

上讲，哲学宇宙在于存在整体的哲学把握，物理宇宙是对存在整体的物

理学或宇宙学把握。以下我们将主要从哲学的角度分析宇宙的有限无限

问题。而科学的阐述，我们已作过一些探索（参见拙作《自然辩证法研

究》1992年第1期，1993年第5期，《科学技术与辩证法》1

993年第2期等），新近又从非浅性科学、混沌学角度进行了探讨。
二、宇宙有限无限的哲学分析
宇宙作为存在的整体，必然得到宇宙既不是有限的，宇宙也

不是无限的。
（1）若宇宙是有限物，则宇宙应存在于特定时空中，然而

宇宙是存在的整体，必不可能存在于特定时空中，故宇宙不是有限物。

另一方面，按黑格尔的有限－－无限观：“实有在它的自在之有中，把

自己规定为有限物并超出限制，这就发生了无限的概念。”（黑格尔《

逻辑学》上卷，第135－136页）即是说，自然而然存在的实物就

是有限物，无限就发生在此有限物的超出限制之过程。宇宙是自然而然

存在的，它是实物的总体或整体，整体不等于它之内的部分之和，即宇

宙之内的实物为有限物，但宇宙整体不一定就是有限物。黑格尔紧接着

又说：“超出自身，否定其自身，乃是有限物之本性。”如果我们从“

变为无限”“是有限物的本性”出发探究，宇宙能超越宇宙自身吗？若

宇宙可以超越宇宙，则与宇宙存在整体概念相悖。因此，宇宙不是有限

的。
（2）若宇宙是无限的，按黑格尔的意见，无限是发生在有

限的超越自身过程，这就要求宇宙的无限发生在有限宇宙（或宇宙有限

情形）的转化过程。但是任何转化、任何超越都是在时空中完成的，都

是在宇宙中完成的，而不是宇宙之外。故宇宙不是无限的。
上述论证宇宙不是无限的时候，我们利用了黑格尔无限的观

点，利用了宇宙不是有限物的结论。同样，论证宇宙不是有限物时，利

用了有限物具有超越本性（即无限）。可见，宇宙的不是有限与不是无

限互为前提。那么宇宙究竟是有限还是无限呢？若宇宙有限而不是无限

，则由宇宙不是无限可以得到宇宙不是有限，但是宇宙是有限与宇宙不

是有限相互对立。于是，宇宙是有限不是无限的结论不能成立。相应，

宇宙是无限而不是有限的观点也不能成立。那么宇宙既是有限又是无限

的结论可以成立吗？
我们先看一个类似情形。在量子力学中，光子的双缝（A和B

）实验表明，单个光子的运动表现既不是只从缝A通过，也不是只从缝B

通过的。或者说，光子不是从A缝通过就必然是从B缝通过，光子不是从

B缝通过就必然是从A缝通过，这样的表述不成立。因此，对光子来说，

A缝与B缝并不满足形式逻辑的排中律关系。光子既通过A缝也通过B缝。

导致一个光子部分地通过A缝和部分地通过B缝的困难的物理图景，在于

光子概念不准确。光子波动性概念是经典宏观时空中的物理概念，使用

宏观语言反映微观客体性质出现了语言障碍问题，或者说，具有不同的

物理环境（物理语境）。本质上讲，光子与量子力学中的几率幅相联系

，在宏观时空中显现的性质与宏观仪器性质有关。
对宇宙来说，若宇宙类比于一个光子，那么要宇宙只通过“

有限缝”与“无限缝”中的任何一个都是困难的，因为宇宙不是有限的

也不是无限的。但是，在三值（或多值）逻辑中，却可以存在宇宙既通

过“有限缝”又通过“无限缝”。
有限无限指的是限制与超越。由此，我们只能得到宇宙既不

是有限的也不是无限的。有人会提出一个简单的方法，既然宇宙不是有

限的也不是无限的，那么宇宙的有限无限概念就没有任何意义了，即宇

宙的有限无限概念不成其为一个哲学问题。然而，简单的否定我们并不

轻松。有限无限概念对于事物的把握是深刻的，不失为一对很好的范畴

，而且它们在自然科学中也常常遇到。因此，简单地否定宇宙有限无限

问题的探索价值，是不可取的。
当我们以有限无限概念来把握宇宙中的事物及宇宙本身时，

相当于构建以有限无限为基本概念的公理体系。数学上有一个哥德尔不

完备性定理，它启示我们，要求以有限无限为根基的逻辑体系是完备的

，则不可能是无矛盾的。要求逻辑体系是无矛盾的，则它不可能是完备

的（即存在着不可证明的命题）。可见，要求有限无限概念体系中没有

矛盾存在，则必然存在不可判定的问题，即有些问题按原体系的推理方

式无法解决。实际上，宇宙的有限无限问题就是一个按原推理方式无法

判定的问题。为此需要寻找新的途径。
在黑格尔体系中，有限无限的定义是以宇宙之内的有限物抽

出有限，而有限物的超越就是无限。由于有限是从宇宙之内的所有有限

物抽出的，它并不包括宇宙本身，因此有限物的外延几近于无穷大，按

形式逻辑学，其有限内涵几近于零。正是这几近于使得有限成为有限物

的共通特性，所以，有限物的质的规定性就是几近于有限物的否定，而

不是有限物的完全否定。在黑格尔那里，有限物的否定就是无限，由于

这“几近于”存在，使得黑格尔的判断并不完全成立，只有在有限无限

的二值逻辑中才满足不是有限就是无限，不是无限就是有限。我们认为

，“几近于有限物的否定”这一表述等价于“无限”与“有限与无限的

统一”两个概念的并。如前所述，我们已证明，宇宙不是有限的也不是

无限的，因此，仅剩下一种选择，即宇宙是有限与无限的统一，或者说

，宇宙既是有限的也是无限的。
从当代语言分析哲学来看，宇宙有限无限同一般的有限无限

分别处在不同的语境之中，用一般的有限无限观去分析宇宙的有限无限

问题，自然会遇到重重困难。宇宙有限与宇宙无限是独特的概念，并不

是宇宙与有限或无限的线性迭加。犹如地球概念并不是“地”加上“球

”。因此，宇宙有限与宇宙无限仅具有限、无限的某些方面的性质，而

不是全部。我们认为，宇宙有限是指所有物质为宇宙所限制，为宇宙所

封闭，构成一个物质整体；宇宙无限是指宇宙具有超越限制的趋势，具

有突破封闭转向开放的趋势。
恩格斯关于宇宙有限无限问题的论述，有自然哲学成分，有

哲学成分，也有认识论成分。自然哲学主要是对自然科学的结论作哲学

的抽象、提炼，它具有时代性。当然自然哲学也诉诸历史，但更主要是

从自然科学的角度来提出概念与原理。例如，恩格斯说：“时间上的永

恒性、空间上的无限性，本来就是，而且按照简单的字义也是，没有一

个方向是有终点的，不论向前或向后，向上或向下，向左或向右。”（

《反杜林论》，人民出版社，1972年，第46－47页）这就是关

于宇宙无限性的自然哲学结论。”当我们说，物质和运动既不能创造也

不能消灭的时候，我们是说，宇宙是作为无限的进步过程，即以恶无限

性的形式存在着的，而且这样一来，我们就理解了这个过程中所必须理

解的一切。”（《马克思恩格斯选集》，第3卷，第557页）这是关

于宇宙无限性的哲学结论。“我们在思想中把个别的东西从个别性提高

到特殊性，然后再从特殊性提高到普遍性，我们从有限中找到无限，从

暂时中找到永久，并且使之确定起来。然而普遍性的形式是自我完成的

形式，因而是无限性的形式，它是把许多有限的东西综合为无限的东西

。”这是从认识论的角度对有限无限的阐释。恩格斯关于有限无限的自

然哲学、哲学、认识论三个方面的论点，既有联系也有区别。正是由于

区别存在，宇宙有限无限的自然哲学结论并不永恒，而联系存在、自然

科学的每一划时代发现，导致宇宙有限无限问题的自然哲学、哲学结论

必然要改变自己的形式，于是一条新的研究道路开辟出来了。恩格斯得

到的宇宙概念是，“宇宙是一个体系，是各种物体相互联系的总体。”

（《自然辩证法》，第54页）它反映了宇宙的整体性。恩格斯也认识

到：“对无限的东西的认识是被双重的困难围困着，就其本性来说，它

只能在一个无限的渐进的进步过程中实现，这已经使我们有足够的理由

说：无限的东西既可以认识又不可以认识，而这就是我们所需要的一切

。”（同上，第212页）他又说：“无限性是一个矛盾，而且充满种

种矛盾……如果矛盾消灭了，那就是无限性的终结。”（《反杜林论》

，第48－49页）可见，恩格斯已认识到解决宇宙的有限无限问题的

困难性，其原因在于宇宙的有限无限问题的困难性，其原因在于宇宙是

一个独一无二的研究对象，处于特定的“语境”之中。
三、宇宙有限无限的本质
研究宇宙有限无限问题只能从两个方面入手，一方面从宇宙

概念的定义入手，即由宇宙概念的内在逻辑直接推出若干结论，这属于

哲学方法。另一方面从局部入手，通过局部来认识整体，这属于自然科

学方法。自然科学的概念直接从它所处理的现象中抽取出来。尽管自然

科学也研究整体（如非线性科学中的问题），然而一般来说这种整体并

不对宇宙结构作特殊要求。自然科学基于实证（实验）、观测，导致从

自然科学的方法论角度区别出观测宇宙概念，观测宇宙是物理宇宙的一

部分，观测宇宙的宇宙大尺度现象是检验物理宇宙理论的试金石。
宇宙是标志物质实在整体存在的哲学范畴，由此我们必然得

到：（1）宇宙具有唯一性，因为存在整体是唯一的。（2）宇宙具有

无边性（无界性）。宇宙在大的方面没有边界，因为若有边界则存在宇

宙之外，这与宇宙定义矛盾。同样，宇宙在小的方面也没有边界，因为

若有边界则存在宇宙之内。这也就是宇宙“至大无外”“至小无内”的

正确涵义，而不是说，宇宙在大的方面无限广大，在小的方面无限可分

。
论述至此，我们还没有回答宇宙在空间尺度或时间尺度上究

竟是无限还是有限的问题。在牛顿引力论和没有混沌（Chaos）的爱因

斯坦广义相对论框架中，宇宙的有限无限问题并没有得到解决，前者的

绝对时空无法证实，后者的可能性之一大爆炸宇宙模型也有三种模式（

开、平、闭），这又取决于宇宙的平均质量密度与临界密度的比较。目

前确定宇宙平均质量密度存在诸多不确定性，即便彻底确定了，但是大

爆炸宇宙模型基于均匀各向同性的宇宙学原理又与1992年COBE（宇

宙背景探测者）卫星发现的宇宙微波背景辐射的巨大波动现象相矛盾，

为此我们提出了宇宙的耗散结构模式，对宇宙的未来作了较为详细的讨

论，指出了开、闭宇宙模式都有相互转化的可能性。（拙作《自然辩证

法》，1993年第5期，第57－68页）非线性科学的兴起，广义

相对论的混沌问题已得到了注意，混沌宇宙学中，宇宙的空间尺度、时

间尺度大小已不是宇宙有限无限的主要问题，而且从量上着手难以解决

问题，正如混沌专家福特（J．Ford）说：“因为混沌在宏观层次上无

所不在，一般来说时钟、标尺与给定的系统本身都是混沌的。混沌系统

之间的相互作用产生局部地随时间指数地放大效应，尽管这种效应开始

时很小，但还是不可忽略。进而混沌意味着决定论的随机性，这些相互

作用的效果就是不可控的、不可预测的。”（《哲学译丛》，1991

年第2期，第35页）从自然科学的角度，我们认为，宇宙有限无限的

统一是宇宙的确定性和内在随机性的统一。（注：详细论证于《宇宙有

限无限问题的科学探索》一文，待发）
从哲学讲，宇宙存在是一种确定性，宇宙演化是一种随机性

。由于宇宙的唯一性，宇宙演化就是一种内在随机性。当代非线性科学

一再揭示，存在是演化的存在，演化是存在的演化，而物质的本质是存

在，物质不生不灭，即反映出宇宙无限性、物质演化性。因此，我们认

为，无限是指宇宙演化，有限是指宇宙存在。宇宙有限与无限的统一就

是存在与演化的统一，进而达致科学图景与哲学图景的统一。
诺贝尔物理奖获得者杨振宁将数学与物理学的微妙关系比喻

为仅有较小交叠的两张树叶，即“两叶理论”。他说：“如果认为两方

面有较大的重叠，那就弄错了。它们并不这样。它们各有不同的目的和

兴趣。它们有明显不同的价值判断，它们还有不同的传统。在基本概念

的水平上，它们令人惊异地共同使用某些概念，但即使在这里，每一方

面的生命力是沿着各自的脉络奔流的。”（《杨振宁演讲集》，南开大

学出版社，1989年版，第398页）我们以为，在宇宙有限无限问

题的探讨上，哲学与自然科学（如物理学、宇宙学……）的关系犹如杨

振宁的两叶理论。本文在于沿着两叶各自的脉络洞见共同的根基，寻找

交叠的区域，果真如此，我们的目的便达到了。

B. 天文望远镜观测距离怎样算

以我的经验来看啊，这配置看月球，土星环都没问题，如果天气条件好，看出个几百万光年没问题。不过话说回来，评价望远镜的能力不是能看多远，理论上都是能看到宇宙尽头，而是望远镜的分辨能力，看的再远，分辨不出看到了啥也是白费。
分辨率公式=1.22λ /D,λ 是观测波段的波长，D是望远镜口径。
详细：
天文望远镜观测距离的计算主要取决于两个参数A和B：
A倍 率
望远镜的放大倍率是望远镜的焦距及目镜焦距用以下的方程式求出来的:
放大倍率 = 望远镜的焦距 / 目镜焦距
例: 1000mm焦距的望远镜及20mm的目镜 放大倍率 = 1000mm / 20mm =50 倍
虽然理论上望远镜的放大倍率是可以随意改变的(只耍换上不同的目镜)更甚至将放大倍率提升到千倍或以上。但在实际观测是有极限的。每一支望远镜都是有它的可用最高倍率。超越这个倍率所得来的部只会无济于事甚至严重影响观测效果。

B可用最高倍率
可用最高倍率除决定于望远镜的口径外还耍视乎当观测时的大气稳定度(SEEING)及被观测的物体的特性。通常星云星团等都不需要作最高 倍率来观测。至于不同口径的可用最高倍率则凭经验镜经指出有下列参考数值:
1 折射望远镜: 口径(mm)的1.5 至 2倍；
2 反射/折反射望远镜: 口径(mm)的1.0 至 1.5倍 当然望远镜的质素是会改变以上的倍值。
3 优质望远镜的可用最高倍在十分之理想的大气稳定度下可以达到口径(mm)的3倍。
能力有限，请见谅 ！

C. 地球到宇宙尽头的距离是多少

“大爆炸宇宙论”提出宇宙常常是周而复始地从诞生至消亡，再诞生、再消亡的轮回。按照宇宙诞生后就急速扩大的宇宙模型，可以计算出宇宙的年龄为130亿年。这就是说，从地球到宇宙“尽头”的距离，理论上应是130亿年。

D. 一光年要步行多久，大概需要多少亿年

怎么会有不行一光年这种话题？种花家刚看到这个标题时候也着实有些诧异，一般以步行计的距离大都以千米计，最多也不超过数十千米，如果间断步行的话也能难以超过数千公里，这一光步行要多久呢？

而且这是一艘航向宇宙尽头的飞船，上面没有一个生命物种，似乎是一艘被遗弃的飞船，但上面的补给应有尽有，而且一路上设置了多个星门可以补充物资！最后居然还有一种超丧的技术，通讯石，可以通过它交换意识，结果就是带着别人的身体去看望自己的老婆，还发生了不可描述的事件，是在是太有意思了，各位有兴趣可以去看看！也算是比较硬核的科幻剧，可惜烂尾了！

E. 宇宙尽头有多远

宇宙究竟有多大？

这个问题有两层含义，一是宇宙的范围有多大，二是宇宙的年龄有多大。这个问题所谈论的是可见的宇宙，也就是以我们所在的地球为一个球体，其半径是自大爆炸以来，即宇宙作为一个点诞生，开始向外迅速膨胀以来光所通过的空间。从整体上看，宇宙很可能比这个可见的宇宙大得多。

就测定所能提供的东西来说，天文学家们显然并不知道，至少不是确切地知道大爆炸是何时发生的。他们只是非常笼统地说，大爆炸可能发生在100亿年前，也可能发生在200亿年前，或者是发生在100亿年前到200亿年前之间的某个时刻。

对我们常人来说，浩瀚无垠的宇宙几乎是不可度量的。而对天文学家来说，精确地测绘宇宙天体不仅是必要的，而且也是可能的。天文学采用的计量单位是“光年”，即光在一年里所走的距离。光的前进速度约为每秒30万公里，一光年大约是 9.7万亿公里。银河系的直径约为10万光年。而在银河系之外还有别的星系，距离我们有数十亿光年。最新发现的类星体位于我们目前所能观测到的宇宙边缘，与地球相隔约100亿～200亿光年，是迄今所知的最遥远的天体。

如此遥远的距离简直令人难以想象。要测量太阳系的其他行星或附近的恒星的距离，可以采用由古希腊人发明的视差计算法。所谓视差，是指从两个观察位置观察同一物体时两道视线所形成的夹角。在天文学中，测定视差的方法就是把两个观测点与被观测的天体构成一个三角形，已知两个观测点连线(即基线)的长度，再从这两个观测点测出天体的方位(即三角形的顶角)，就能求出天体与地球的距离。基线越长，求得的结果就越精确。通常，在测量离地球较近的天体如月亮的距离时，可以用地球的半径作基线，所测定的视差则称为“周日视差”。如果要测定太阳系以外天体的距离，一般都以地球与太阳的距离为基线，所测定的视差称为“周年视差”。用这种视差法测量相距8.6光年以内的天体非常准确，测量远至1000光年的天体也能做到大体准确。

另一种测量恒星距离的方法是亮度测定法。一颗恒星可能因体积大、运动活跃或距离地球较近而显得很光亮。只要分清星球的实际亮度和视觉亮度，就能从光亮度上准确测出恒星与地球之间的距离。本世纪初，天文学家按波长区分星球光亮，制成了光谱。他们发现，不同的恒星有不同的光谱特性。用分光镜研究恒星的光谱，就能判断该星的冷热程度。这有助于天文学家辨别貌似暗淡的小星是否遥远的活跃的巨星。只要把一颗星的光与另一颗已知距离、活跃程度相似的星进行比较，就能测量出这颗星与地球之间的距离。

80多年前，大多数天文学家都认为银河系就是整个宇宙，银河系之外什么也没有。可是，当精确度更高的天文望远镜诞生以后，这种看法便被证明是错误的。过去观测到的那些暗淡模糊的斑点，其实是其他的星系，有的与银河系不相上下，有的则更庞大。20世纪20年代，美国天文学家埃德温·哈勃在加利福尼亚州的威尔逊山用当时世界上最大的反射式望远镜研究银河系外星系，他分析了这些星系的光谱，发现各种谱线的波长都移向红色一端。这种现象叫做红移，说明那些星系正在向远处飞离。波长的改变是多普勒效应的作用，与疾驶而去的汽车喇叭声调的变化同样道理。由于宇宙在不断膨胀，星系距我们越远，红移就越大。换而言之，越远的星系，其飞离我们的速度也越快。哈勃据此提出了“哈勃定律”，确定了计算行星运行速度的天文学计量单位——“哈勃常数”。但是，用哈勃常数作为测量尺度存在一个问题，即无人知道它有多长。

关于宇宙膨胀的速率，天文学家们的看法并不一致。最保守的估计是，距离增加百万光年，则速度每秒钟约增加16公里，即一个距我们5亿光年的星系将以每秒约8047公里的速度远离地球。有些天文学家估计的速率比这个数字还要大一倍。按照第一种估计，宇宙中最遥远的天体距离地球约有100亿光年。而按第二种速率计算，则宇宙边缘距离地球达200亿光年之遥。

“哈勃常数”只能在太阳系以外的太空里测定。在那里，膨胀速度非常大，任何局部影响都变得微不足道。

如果天文学家能够找到一支“标准蜡烛”，即某个类星体，其亮度稳定，非常明亮，横跨半个宇宙都可以看到，那么这个问题便可迎刃而解。但是迄今为止，大家公认可通用于整个宇宙的“标准蜡烛”尚未找到。因此，天文学家运用这一基本方法时往往采取一种分步方式，这就是设立一系列“标准蜡烛”，每一步只起测，定下一步的作用。

近年来，3种不同的“标准蜡烛”，即近红外线观测造父变星、行星状星云和麻省理工学院的约翰·托里的成片星系，都使人趋向于认为宇宙很年轻，有110亿～120亿年。

但是，还不能说这便是标准答案，至少有另外3个天文学家小组得出了不同的结果。其中的一个小组是以哈佛大学天文学系主任罗伯特·柯什纳为首，他们得出的结论是，宇宙并不是那么年轻，可能有150亿年。

而杰奎琳·休特和她的学生们以及普林斯顿大学的埃德·特纳则测定宇宙有240亿年。

总而言之，时至今日，宇宙有多大这个问题还远远未能解决。

F. 宇宙尽头论

宇宙是浩瀚无限的，也是无边无际的，无始无终的。目前人类认知的宇宙只局限于“宇宙大爆炸”形成的理论中，黑洞就是大爆炸的中心，大爆炸后宇宙开始向四周膨胀，而宇宙膨胀结束后，黑洞开始吸收宇宙中所以星体，物质，包括光，最终形成新的宇宙。
要彻底解开宇宙之谜，黑洞之谜今后需要人们继续不断的去探索研究和发现。

G. 旅行到宇宙尽头的时候将会看到什么样的景象

》人类可观测的宇宙在140亿光年左右。对于人类来说，宇宙几乎是浩瀚无垠的，但是并不是无穷大。

根据广义相对论计算的结果，宇宙诞生于140亿年前，一个质量无穷大，密度无穷高的点。在创世大爆炸之后，宇宙就开始不断的膨胀。宇宙不断膨胀的结果是，实际的宇宙直径大概在900亿光年左右。

根据人类对深空的观测，离地球越远的星系，远离地球的速度越快。最遥远的星系，会超光速的离开我们。

这是空间膨胀的结果，可以形象的比喻为时空的坐标在同时的拉伸。就如同在几何空间中，Xyz轴同时被拉伸一样，由此空间中的各个物体之间的距离就会彼此的远离。

对于容纳万物的空间是如何生长的，现在还没有科学理论可以描述。

但是我们知道一点，万物只能在空间中存在。而且在创世大爆炸之前，世界上并无一物，连空间也不存在。

》合理的逻辑告诉我们，真空和虚无之间的界限，就是宇宙墙，那里是空间膨胀的边缘。边界之外，什么也没有，连真空都不存在。

所以，也有可能人类看到的可观测的宇宙的一半，其实是另一半在宇宙墙上的镜像。

H. 漫步到宇宙尽头

地球绕着太阳转

我们的世界，从诞生以来就一直围绕着一个巨大的火球年复一年地转动，永不止息。

这并不是显而易见的事实——人类从地球获得的经验恰恰与此相反——大地似乎才是亘古不变、稳定不动的，太阳从东方升起，从西方落下，划分日夜。太阳的地位在古代神话中也有所反映，它往往扮演了一个对人世重要但对天庭无关紧要的角色。例如，在希腊神话中，太阳仅仅是阿波罗（Apollo）手中的金球；在中国古代神话中，太阳也不过是天神的马车上的车轮。在人类的日常经验中，太阳和月球的大小似乎相差不多。这也对人类认识太阳和地球的关系造成了障碍。人们自然而然会觉得太阳和月球是地位类似的天体，因为从视觉上来说，它们都在离地球差不多遥远的地方。

为了研究天体运动，古希腊天文学家提出了“天球”的概念。这是一个假想的球面，以观察者或者地球的中心为中心。日月和夜晚的星辰，都可以在这个球面上标出来。大多数星辰在天球上的相对位置似乎永远不变，因此被称作恒星。星空以一年为周期围绕地球转动。对北半球中纬度的观测者来说，每年的夏夜，他们总是在天顶附近看到明亮的织女星和牛郎星隔着银河相望。到了冬季，整个天空最亮的恒星——天狼星就会如约出现在东南方向。古希腊天文学家将夜空中的恒星划分为不同的 星座 以方便人们记忆。每年的同一个夜晚，天空中出现的 星座 总是相同的（整个天空有88个不同的 星座 ）。

太阳和其他恒星不同，它在天球上的位置会移动。如果我们让大地变成透明的，并且暂时抽去地球上的大气，我们就可以在任何时刻看见整个天空的星辰。我们会发现，4月的时候，太阳和白羊座的恒星待在一起，8月的时候会移动到狮子座，而隆冬12月时则从蛇夫座移入人马座。每一年，太阳都会沿着这条线路走一圈，途经13个 星座 1。太阳在天球上的这条路径被称作黄道，相对应的 星座 有时被称作黄道 星座 。

除了月亮，在天球上还有5个天体的行为明显有别于恒星，它们就是水星、金星、火星、木星、土星。这5个天体都明亮而容易用肉眼观察。尤其金星，是夜空中仅次于月亮的明亮天体，比夜空中最亮的恒星天狼星明亮20倍。人们称这五颗亮星为“行星”，因为和静止不动的恒星不同，它们在天球上的运动显而易见。例如，木星以12年为一周期在天球上运转。中国古代天文学家将其称作岁星，并以此为基础制定了地支纪年。

如何理解这些天体的运动？古希腊天文学家认为，宇宙实际上是由一系列同心圆构成，地球处在圆心，太阳、月亮、水星、金星、火星、木星、土星，每一个天体占据了一层宇宙，在同心圆上绕着地球转动。而其他星体则集体在最外层占据了一个球面，这个球面绕着天轴转动。这种宇宙观反映了当时的哲学理念：宇宙应该是完美的，天体系统应该永恒平稳地运转。

然而，希腊人发现他们“完美”的宇宙模型上有点小问题，那就是行星的“逆行”。这是一个行星运动中令人困惑的现象。在夜空中，行星在天球上的运动轨迹大致是自西向东。但在某些时候，人们会观测到行星运动的速度渐渐变慢，直到停滞不前，并向反方向短暂地运动一段时间。在不久后，它们又会再次“扭头”踏上原来的轨道。在“完美”的宇宙模型中，行星的逆行显得不合规矩，但希腊人也对此无可奈何，只能忍痛对宇宙模型修修补补。到了公元140年前后，这套模型已经变得无比繁复。出生在希腊的罗马天文学家克罗狄斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus）被公认是古代天文学理论的集大成者。在他出版的天文巨着《天文学大成》（Almagest）中展示了当时最先进的宇宙。在这本书里，地球已经被稍稍地移开了宇宙的中心，所有行星的轨道变成了偏心圆。除此以外，每个行星都有一个属于自己的小轨道，被称作“本轮”。本轮套在偏心圆轨道上运动，而行星则在本轮上运动。

直到16世纪为止，托勒密的理论统治了天体运行理论1000多年。这很奇怪，托勒密的理论计算繁复，而且也并不是纯正的地心理论。它实际上违背了古希腊人所崇尚的完美和平衡的宇宙观——偏心轮这样的构造更像是出现在机械匠人手工间里的奇巧淫技，而不应该出现在神灵创造的天空中。但另一方面，托勒密体系确实也很好地解释了行星的运动和逆行现象。16世纪，尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）提出了革命性的太阳中心理论。在哥白尼的宇宙模型中，太阳被放到了宇宙的中心，一切天体都围绕着太阳转动。但直到哥白尼去世半个世纪后，日心说仍然无法压倒托勒密的地心理论，从预言的准确程度上来看，它们差不太多。而不管哪一套理论，都无法准确地预言行星的运动，大行星似乎总是在某些时候走得过快了一些，有时又走得慢了一点。

图1.1托勒密的地心说模型，地球、行星轨道示意图。行星在一个被称作本轮的小圆上运行，小圆又套在一个被称作均轮的大圆上运行。均轮的圆心用五角星代表，稍稍偏离地球

地心说的缺陷毕竟在一步一步地暴露。17世纪初，望远镜在荷兰诞生。这种仪器是将两个透镜用一根金属长管连接起来。第一个透镜被称作物镜，用来收集光线，并汇聚起来。这些光线被第二个透镜修正后生成人眼可以直接观察的实像。望远镜收集光线的能力和物镜的面积成正比例关系。物镜直径增加10倍，望远镜收集光线的能力就增加100倍。望远镜还可以使观测者分辨更精细的图像，这种能力和望远镜的直径成正比例关系。人类的眼睛本身是一套精巧的光学系统，但人眼收集光线的面积很小，大致等于瞳孔尺寸。这样的能力足以使人类在自然界分辨敌害，甚至也足以使得人在昏暗的蜡烛或油灯下分辨羊皮纸上手写的小字。但说到仰望星空，人眼能力终究有限。早期的望远镜非常简陋，但物镜的面积要比人眼的瞳孔大上几十倍，早期的望远镜大大提高了人类的视力。

1609年，伽利略第一次将望远镜技术应用到天文观测中。他惊奇地发现，夜空中横亘的银河原来是由无数的星星构成的。当他将望远镜指向木星时，他发现在木星周围居然还有四颗小小的天体。很明显，这些天体是在围绕着木星做周期转动的卫星。其中，转动最快的一个卫星，在一个晚上就能发现它明显的位移。既然有天体可以围绕着木星转动，而不是以地球为中心，那么太阳有什么理由一定要围绕地球转动呢？

1573年，哥白尼去世18年后，约翰尼斯·开普勒（johannes kepler）出生于德国的威尔德斯达特镇。开普勒幼年贫穷，由祖父抚养长大。他的视力很差，可能是幼年的天花造成的。终其一生，开普勒很少真正坐到望远镜前，但他仍然被认为是欧洲一流的天文学专家，因为在数学计算方面，开普勒罕有敌手。开普勒是哥白尼学说的信徒，不仅仅是科学上的原因，也有神学上的动机。在开普勒的想象中，上帝创造的世界一定具有完美的几何特性。几何学一共存在5种不同的正多面体：正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体。每一个正多面体总是存在一个内接球（内部能放下的最大球体）和一个外接球（正好包裹多面体的球体）。如果将5种正多面体嵌套起来，就可以将空间分为6层。开普勒相信这并不是巧合。在他的假想中，如果将太阳放到宇宙的中心，那么水、金、地、火、木、土这6颗行星的轨道应该正好可以放入5个层层嵌套的正多面体分割的6层球壳中（图1.2）。这是多么完美！

1596年，在开普勒的第一本天文学着作《宇宙之谜》（The mystery of the Universe）中，他热情地描述了自己完美的宇宙理论，并辅以初步的计算结果。然而，欧洲的天文学家并不十分买账。在哥白尼之后的半个多世纪里，天文学观测精度提高了不少。而开普勒仍然在用哥白尼时代的旧数据去验证自己的理论，显得不那么合适。数据的质量在之后很多年里困扰着开普勒。1600年，开普勒接到当时最着名的天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）的邀请，前往布拉格，去做他的助手。这正是开普勒梦寐以求的机会。

第谷可能是望远镜发明以前最伟大的观测天文学家。他改造了六分仪和四分仪，使得它们对角度的分辨力大大提高。第谷可以用自己改造的仪器在1角分的精度上研究行星的运动。读者可以将自己的手臂向前伸直，与眼平齐，竖起食指，此时食指所能遮掩的角度大约是1度。第谷的观测精度是这个角度的1/60。

图1.2开普勒最初的宇宙模型。水、金、地、火、木、土这6颗行星的轨道应该正好可以放入由5个层层嵌套的正多面体定义的轨道上。《宇宙的奥秘》（Mysterium Cosmographicum）（1596）

第谷的一生都致力于高精度测量行星的运动。在邀请开普勒时，第谷是神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世的皇家天文学家，他的工作是将自己一生积累的行星观测结果编为一个以他的赞助人鲁道夫二世命名的星表。这些数据正是开普勒所需要的，他深信这些数据可以证明自己的正多面体模型，于是欣然踏上了旅程。

第谷和开普勒的合作并不愉快。第谷有自己的一套宇宙模型，介于日心说和地心说之间，在这个模型里，所有的大行星都绕着太阳转动，而太阳又绕着地球转动。第谷希望利用开普勒的数学才华来研究自己的模型，但开普勒却是坚定的哥白尼门徒。开普勒无法从第谷那里获得行星运动的全貌，因为第谷对他充满了戒心，只是一点一点地、施舍式地提供给他只鳞片爪的数据。开普勒没有能够取得研究的进展，反倒是花了大量的精力为第谷撰写攻击研究对手的文章。

这份合作非常短暂，6个月后第谷不幸因一场突如其来的疾病去世。在弥留时刻，第谷终于将所有的数据交给了开普勒。他对开普勒说：“不要辜负我的一生。”

在随后的数年里，开普勒终于能全身心投入解决太阳系运行的问题里。他很快发现自己的正多面体模型有严重的问题。水星的运动完全无法用这个模型预测。其他行星的运动也只是勉强和模型对得上。是第谷的数据错了吗？开普勒拒绝相信这个原因，和第谷一起工作过的他完全信任数据的精确度。开普勒只好痛苦地承认，自己“完美”的宇宙模型出了问题。但他距离真正的答案已经不远了。在重新审视了数据后，开普勒发现了解开谜团的关键之处——行星的轨道是椭圆曲线，而不是正圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。这就是开普勒第一定律。而他也找到了正确描述行星运动的法则：行星在椭圆轨道上运行，当它远离太阳的时候，它的速度就会变慢；当它接近太阳的时候，它的速度会加快。如果我们将行星和太阳连成一条线，那么，这条线在单位时间内扫过的面积总是相同的。这就是开普勒第二定律。在数年后，开普勒又发现了开普勒第三定律：行星围绕太阳运动的周期平方正比于其轨道半长轴的三次方。开普勒的研究取得了巨大的成功。从此以后，只要确定任意时刻的行星位置，根据开普勒定律，人们就可以完全、精确地预测它之后的运动。

为什么行星会如此运动？1687年，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）最终找到了蕴含在开普勒定律里的奥秘——万有引力定律。牛顿认为宇宙中任意两个物体之间都存在相互吸引的力，这个力的大小与其距离的平方成反比。而开普勒的行星运动定律，正是牛顿引力定律的直接推论。

音乐家的大发现

18世纪末，太阳系的运动秩序建立起来了，但人类对于太阳系本身的认识还不充分。人们还不知道天空中是否只有5颗行星，也不知道太阳系的边际在何处。

1781年3月，英国的度假胜地巴斯，一位名叫威廉·赫歇尔（William Herschel）的天文学家用自己制作的望远镜发现了一个奇怪的天体。当时，赫歇尔正在对夜空中的双星进行系统研究。他观测的目标，大都是恒星，它们离地球非常远，即使在望远镜中也呈现为点状的发光体，而没有具体的形态。但是赫歇尔发现的这个天体，在200倍率放大下呈现为一个朦胧的光斑，当他换上更高倍率的目镜时，光斑的大小随之增加。赫歇尔猜测这个天体可能是一颗彗星。但和普通的彗星不同，这个天体没有彗星常见的长长的扫帚尾巴。谨慎起见，赫歇尔仍称这个天体为彗星，并将该发现通知了皇家学会的天文学同行们。此时的赫歇尔还没有意识到，这是他一生伟大天文探险之旅收获的第一个奖品。

事实上，在几年之前，赫歇尔在英国广为人知的身份是管风琴演奏家和作曲家。他出身于德国汉诺威的一个音乐世家，兄弟姐妹有10人之多。父亲艾萨克·赫歇尔（Isaac Herschel）是乐团里的一位演奏家。虽然并非富豪，父亲还是决定让他的所有孩子（至少是所有男孩子）都受到良好的教育，不仅在音乐方面，也包括科学和数学。据赫歇尔的妹妹卡罗琳·赫歇尔（Caroline Herschel）回忆，晚饭后父亲和赫歇尔会长时间讨论音乐演奏相关事项，但是有时，话题会突然转移到哲学和科学方面。牛顿、莱昂哈德·欧拉（Leonhard Euler）、威廉·莱布尼茨（Wilhelm Leibniz）等人的名字频繁出现。讨论的气氛会变得非常热烈，其中尤以威廉·赫歇尔最为活跃。有时讨论过于投入，以至母亲不得不出面干预，以免谈论的声音惊扰了第二天早上要上学的小孩子们。

受到家庭教育的影响，赫歇尔成长为一位优秀的管风琴和双簧管演奏家，在乐团获得常任职位。因为战争，在19岁的时候，赫歇尔离开德国去英国发展音乐事业。1766年，他收到了来自Bath（巴斯）的Octagon Chapel（八角教堂）的邀请，成为其常任的管风琴师。Bath是英国着名的 时尚 休闲城市，有众多慷慨的上流名士愿意为音乐家事业提供赞助。英俊帅气的外表、精湛的技艺令赫歇尔很快在圈子里崭露头角。作为一个音乐家，赫歇尔不但获得了优越的生活，职业生涯也在巴斯达到了巅峰。

夏天是音乐家繁忙的季节，需要应付不同的演出，并且Bath访客云集。但到了冬天，这里就变得安静闲逸。赫歇尔有了充足的个人时间来重拾自己在天文学上的爱好。35岁那年，赫歇尔偶然购买到了詹姆斯·弗格森（james Ferguson）的学术专着《天文学》，这本书让他重新燃起对于神秘夜空的兴趣。晚饭后，他常常带着这本书回到卧室，让对星空宇宙的遐想伴他入眠。此时的赫歇尔已经不仅仅满足于像年轻时一样只是作为科学爱好者，在沙龙上高谈阔论。他想要亲自观察书中所描述的奇妙夜空。这意味着，他需要一个望远镜。

在伽利略自制望远镜用于天文观测后，望远镜的制作技术取得了很大的进展。在赫歇尔的时代，望远镜已经可以从光学器材商店里买到，只是价格昂贵。在Bath的光学器材商店里就恰好有一架。但是望远镜口径太小，不能满足赫歇尔的期望。赫歇尔想要看别人没有看到过的星空，他希望拥有的是一架在那个时代最优秀的望远镜。按照他的计划，这样的望远镜镜面至少要达到20英寸（约50厘米）。于是，自制望远镜成了他唯一的选择。

赫歇尔小时候有一些制作乐器的经历，但是光学望远镜是完全不同的东西，对设计和加工精度有着极高的要求。没有人知道赫歇尔为什么能成为一个伟大的望远镜制造者。他在开始的时候，似乎所有的参考资料只是罗伯特·史密斯（Robert Smith）所着作的《光学》。但在经过最初的一些不成功的尝试后，赫歇尔很快掌握了制作望远镜的诀窍。磨镜是非常单调的体力工作，赫歇尔表现出的专注却非常惊人。他甚至可以连续16个小时不离开手头的工作。他的妹妹卡罗琳不得不在他工作的时候用勺子喂他吃饭，免得他在工作中晕倒。

赫歇尔陆续制作了一系列大小不同的望远镜，最常使用的一个镜面直径约50厘米，焦距达到7米。虽然是自学成才的新手，但赫歇尔的望远镜事实上是整个时代最优秀的作品，远远超过他那些追逐彗星的同行使用的小型光学设备。事实上，在不久后，整个欧洲的天文学家都对一架赫歇尔手制的望远镜梦寐以求。

谁拥有口径最大的望远镜，谁就能有最伟大的发现，这是天文学研究的铁律。1781年，赫歇尔发现的这个奇怪天体，就是他得到的第一份重大回报。英国皇家学会的天文同行们跟进了赫歇尔的观测，他们很快发现新天体的运动轨道是一个接近圆形的椭圆。这意味着新天体不是一颗彗星，因为彗星总是在非常扁长的轨道上运行。最终，天文界承认赫歇尔发现的天体实际上是一颗行星，我们今天称其为天王星。

事实上，回顾 历史 资料，人们发现天王星在此之前已经被不同的天文学家观测并记录过，但他们都没有意识到天王星是一颗大行星。这是因为天王星比其他几颗行星暗得多，运动速度也要慢得多。天王星的亮度是6等左右，只是勉强能被肉眼看到。它和太阳之间的距离是日地距离的18倍，每84年才绕太阳运动一周，因此科学家很难注意到它的运动。但在赫歇尔的大口径望远镜中，天王星的形态使得它的真身为人所知。

赫歇尔的发现让整个科学界沸腾了，这是人类有 历史 记载以来，第一次由个人独立发现的新行星。赫歇尔以一己之力拓展了太阳系的疆域。赫歇尔被授予皇家学会会员资格（Royal Society fellow），并获得了科普利奖章（Copley medal）。作为无可争议的发现者，他被请求为新的行星命名。

赫歇尔将发现新行星的荣誉奉献给英王乔治三世。国王雅好科学，赫歇尔希望新的行星能够帮助自己获得皇家天文学家的职位。然而，“乔治星”的名字最终没能在其他国家站稳脚跟，在法国，科学家们宁可称呼新的行星为“赫歇尔”。几经博弈后，天文学家们接受用“Uranus”为新的行星命名。这个名字来自希腊神话中天空之神的名字乌拉诺斯神，中文翻译为天王星。占星学界也很快高兴地接受了这一颗新行星，将其纳入自己的理论体系中。占星家们为天王星设计了独特的符号——圆形的球体上托起赫歇尔名字的首字母H。

虽然“乔治星”的名字只在英国受到欢迎，但是，它却毫不意外地让赫歇尔备受皇室欢迎。他被请到白金汉宫成为英王的座上宾，并被邀请和皇室一起观赏歌剧。他的望远镜也从家乡运至格林尼治天文台，以便国王本人可以看到以自己的名字命名的星星。皇家天文学会的同行们在看过赫歇尔的望远镜后对自己原有的老古董再也提不起兴趣，纷纷请求赫歇尔为他们制作新的望远镜。赫歇尔也乐于出售望远镜而获取利润，大约60架望远镜卖给了皇家学会的同仁和欧洲大陆的天文学家们。作为天文学家和顶级望远镜的制作者，赫歇尔一时声势无两。在他的一生中，赫歇尔取得了一系列伟大的发现：他发现了一颗新的大行星——天王星；他（和他的妹妹还有儿子）建立了史上最大的，至今仍然在使用的星云团全表；他制作了一份双星全表，证明了很大比例的双星不仅仅在视觉上，而且在物理上是相互联系的；他发现了红外线的存在……在本书后面，我们还会看到赫歇尔的名字，现在，让我们继续太阳系边疆的 探索 之旅。

太阳系的边疆

天王星的发现使得天文学家猜测，可能还有大的行星存在于太阳系外围。毕竟太阳的质量非常大，比所有大行星的质量加起来还要大数百倍，完全可以在几十倍日地距离的地方控制更多的天体。可以预想到，天王星之外的大行星可能比天王星看起来更加暗淡，公转周期也更长，但天文学家还是可以通过细致的巡天观测来寻找可疑的候选者。

然而，令人感到意外的是，下一颗大行星存在的证据却是由一个数学家发现的，而线索就藏在天王星的运动数据中。在开普勒的太阳系模型中，大行星都在自己的椭圆轨道上规矩地运行，互相毫不干涉。另外，我们知道这只是一种对实际情况的简化。因为牛顿的引力定律指出任何两个天体之间都会存在互相吸引的力。不同的行星公转周期不同，因此相互间会周期性地靠近。当两颗大行星靠近彼此时，它们的引力就会使得对方都稍微偏离完美的椭圆轨道，这种偏离被称作“摄动”。

海王星的发现则要归功于法国天文学家奥本·尚·约瑟夫·勒维耶（Urn jean joseph Le Verrier）杰出的数学能力。在发现天王星后，一些数学家和天文学家意识到天王星的轨道似乎受到了另一个大行星的干扰。勒维耶精确地计算出了这个可能天体的大小、轨道和应该出现的位置。在他的再三请求下，柏林天文台在他预测的位置发现了这个大行星，勒维耶根据其他行星命名的惯例，用海洋之神尼普顿（Neptune）的名字命名其为海王星。

水星、金星、地球和火星一般被称为类地行星。顾名思义，这类行星像地球一样，有坚实的表面，并且都有铁质的核心。而木星、土星、海王星和天王星则是比地球巨大得多的行星。在过去，人们曾笼统地将这四颗行星称作类木行星，但现在我们已经知道这些行星可以分为两类：木星和土星这样的主要成分是氢、氦元素的“气态巨行星”；海王星、天王星这样的主要由冰冻的水、氨与甲烷构成的“冰巨星”。

在海王星外是否还有大行星存在？我们至今还没有发现。1930年，美国科学家克莱德·威廉·汤博（Clyde William Tombaugh）发现了冥王星。这是一个太阳系外围的小天体，距离太阳约40倍日地距离，质量只有月球的1/6。在之后的70多年里，冥王星被定义为太阳的第九大行星。但人们从一开始就发现，冥王星和其他八大行星有很多不同。其他的八大行星轨道都非常接近圆，而冥王星的轨道椭率（ellipticity）较大，甚至和海王星轨道交会。有的时候，冥王星会运行到比海王星更靠近太阳的地方。更重要的是，冥王星的质量太低，在自己的轨道上不占据主导地位。围绕冥王星地位的争论自发现之后一直不曾停止。从20世纪90年代起，天文学家开始不断地发现冥王星外的小天体。2005年，人们找到了比冥王星还要重的Eris（阋神星，136199 Eris）。这成了压倒冥王星地位的最后一根稻草。在2006年的天文学年会上，天文学家用投票的方式为行星颁布了新的定义，要求一个绕太阳运动的天体必须质量大得可以清除轨道上的其他天体才能被称作行星。而冥王星只比它的卫星稍大一点点，于是被剥离出了行星的队伍。天文学家为冥王星、阋神星以及小行星带中最大的天体——谷神星这样的天体开辟了一个新的小众分类“矮行星”。这次投票在当时引起了公众的强烈反对，但随着时间的推演，人们慢慢接受了这个新的更加合理的分类方法。

冥王星和阋神星附近的轨道上还存在大量的小天体，这些天体合起来构成了一个圆盘状的区域，被称作“柯伊伯带”2。虽然像冥王星和阋神星这样的天体主要是由岩石和金属构成，但柯伊伯带中的小天体大多是由冻结的水、氨和甲烷构成，和彗星的构成成分类似。这些小天体大多在柯伊伯带中年复一年地围绕太阳转动，但也会有很少的小天体偶然地游荡到太阳系中心区域，当这些小天体靠近太阳时，太阳的光热会使得冰升华，在小天体背后形成长长的尾巴。这时，小天体就变成了一颗彗星。彗星在人类 历史 中向来是坏运气的代名词。在中国，彗星的出现被认为伴随着战乱。甚至到20世纪初，人类还是会因为哈雷彗星彗尾扫过地球而感到恐慌。彗星和小行星一样在各类科幻电影中扮演着人类杀手的角色。在电影《彗星来的那一夜》（Coherence）中，彗星甚至扮演了连接平行世界的角色。然而，从彗星主体上解离下来的碎片却是地球上美丽流星雨的来源，当地球运行过彗星的轨道时，这些碎片落入地球，在和大气层摩擦的过程中形成了流星雨。

柯伊伯带的位置距离太阳中心40-50个日地距离3，但这里还不是太阳系的边界。整个太阳系其实被包裹在一个被称作“奥尔特云”的结构中。奥尔特云由大量的微小天体构成，成分主要为水冰4、甲烷等物质。奥尔特云的外边界大约在10万倍日地距离处，这也是太阳引力影响范围的边缘。距离太阳最近的恒星——比邻星到太阳的距离是奥尔特云外缘的两倍。

地球和太阳之间的距离是1.5亿公里，光需要8分钟才能从太阳来到地球。为了更好地在脑海中形成图像，我们可以将太阳系的物理的尺度缩小10亿倍。在这个缩小版的太阳系里，人的大小和一个原子差不多，地球只有1.3厘米，比葡萄略小一些。地球的卫星月亮悬挂在30厘米之外，大小和葡萄籽一样。在我们的微缩版太阳系中，太阳是一个直径1.5米的火球，离地球150米，只需要步行一分钟。按照离太阳的距离由近到远，地球是太阳的第三颗大行星。从地球步行前往太阳，途中你会经过和地球差不多大小的金星，以及比月球略大一些的水星。从太阳到木星（大小和柚子差不多），需要坐一站公交车（约800米距离），如果我们不下车再坐一站就到了土星（和苹果差不多大）。天王星和海王星的大小和柠檬差不多，分别距离太阳4站和6站公交车车程。海王星外是由小天体构成的柯伊伯带，更远处的奥尔特云外边缘大约距离太阳2光年。在我们的微缩版太阳系中，抵达奥尔特云的边界需要20，000公里，差不多需要坐飞机飞行20小时；而距离太阳最近的比邻星，需要乘飞机40小时才能到达（40，000公里外）。

图1.3太阳系大行星位置示意图

I. 宇宙尽头在何方

在20世纪以前，人们认为太阳系几乎就是一切，不相信太阳系以外还存在其他星球。到1900年，人们又认为太阳系所属的银河系就是整个宇宙。至于银河系的大小，当时最大胆的估计是宽约2万光年（光年即光在一年中所走过的距离，约等于94605亿公里），其中包含大约20～30亿颗像太阳一样的恒星。

1920年，天文学家哈洛·沙普利等人根据当时掌握的测量恒星距离的新方法，算出了银河的真实宽度是10万光年，其中包含的恒星总数达2000—3000亿颗。同20年前的看法相比，银河“扩大”了100倍，而且还断定这极度扩大了的银河，并不是全部宇宙。

与此同时，天文学家又发现宇宙是由许多个像银河系一样的星系集成的，每个星系大约由几十亿到几万亿颗星体组成。而且证明了宇宙是动态的，成群存在的星系彼此相互分离，它们之间的距离越来越大，好像宇宙也在不断扩大。

1929年，美国天文学家埃德温·P·哈勃等人设计出了确定星系距离的多种方法，证明即使是离我们比较近的星系（例如仙女星座系），距离我们也有230万光年。60年代，人们发现某些曾被认为是我们自己星系中的没有光泽的恒星，实际上离我们星系非常遥远，被人们称为“类星体”。这些“类星体”，最近的离我们也有10亿光年，远的则达120亿光年以上。

按照宇宙诞生之后就急速扩大的宇宙模型，可以计算出宇宙的年龄为130亿年。这就是说，从地球到宇宙“尽头”的距离，理论上应是130亿光年。

至于宇宙究竟有多大，它的“尽头”究竟在何处，也许将永远是个谜。

J. 宇宙到底有多大宇宙尽头究竟在哪里

之所以认为宇宙是无穷大的，归根结底，其原因是来自于一个悖论，即：任何一片区域都应该会有一个尽头，而任何一片区域的尽头之外都应该有另一片区域存在。

对于这个问题，笔者认为，“真实世界”拥有与我们所处宇宙完全不同的规律，我们这些虚拟世界的“NPC”是绝对无法想象出“真实世界”是什么样子的。但是可以确定的是，在“真实世界”的规律里，是不会存在本文开头提到的那个悖论的。