人类对宇宙奥秘的探索，是一场关于时空的追寻

曾经的我们，认为脚下的土地包围天空与日月；后来哥白尼一语道破，我们的地球只是天空下的一隅，我们生存的星球围绕着空中的太阳运行；再后来我们发现太阳系之外有广阔银河，银河外还有更加浩瀚的宇宙。   夜空中的点点繁星可能大得过数万个太阳，我们看到的微弱星光可能已经在宇宙中穿梭亿万光年，它们计量这空间、也丈量着时间。数百年来，人类从来没有停止对天空和宇宙的探索，从“日心说”到“宇宙大爆炸”，这不仅是一场对行星与恒星探索，更是一场对宇宙起源、时间历史的伟大追寻。从人造卫星升空到月球漫步再到火星探测，这是人类对无垠宇宙的憧憬、也是对未知空间的向往。   01.地球到底有多小   我们用“世界”来形容人类生存的范围，我们常常感叹这颗星球的广袤，我们在这颗星球上生存繁衍、耕耘文明，我们曾经认为我们就是宇宙的中心，我们不断探寻真理、探索宇宙，我们渐渐发现，我们这颗星球的渺小，它只是太阳系行星成员中不算大的一个，只是银河系无数运行着的行星中的一员，而之于浩渺的宇宙，它形同尘埃。   我们地球直径约1.27万千米，距我们不远的木星是太阳系八大行星中最大的，直径则达到了14万千米，我们所处星系的核心——太阳的直径约为木星的10倍，约为140万千米，而太阳系所有行星质量的总和也仅为太阳的千分之一。相较于太阳，地球已经十分渺小。在晴朗的夜晚，当我们仰望星空时可以看到一颗明亮的星星，这颗星位于大犬星座，是我们在夜里可以肉眼看到的最亮的恒星，叫做天狼星，直径则大约是太阳的10倍大。猎户座最大的恒星参宿四半径更是达到了太阳的1000倍。著名的石榴星，仙王座μ星，据观测其直径约是太阳的1200-1600倍。目前，我们已知的最大恒星——盾牌座UY，直径接近24亿千米，它的体积是太阳的45亿倍之多，而这些仅仅是恒星，浩大的宇宙中还存在着无数其他天体，它们的规模可能更加超乎想象。
 
  02.宇宙到底有多大   宇宙距离的计量-光年   我们惯用“光年”来计量宇宙范围内的长度，这个长度单位代表着光在真空条件下传播一年的距离，光在真空条件下的传播速度c近似为3X108m/s，也就是30万公里每秒。那么一光年则等于cx3600x24x365，为9.46×1015m，这个长度有多长呢？地球赤道的周长大约为4万公里（4x107m），一光年大约能绕地球赤道2亿4千万圈。   光年通常被用来度量天体之间的距离和星系的直径，我们所处太阳系以太阳为中心，太阳是银河系中较为典型的恒星，它距离银河系中心大约为2.61万光年，而银河系的直径大约是10万光年。银河系外的河外星系中，是数以亿计的和银河系类似的星系，它们都由大量的恒星、星团、星云和星际物质等组成，目前我们观测到约10亿个河外星系，而据推测河外星系的总量可能达千亿以上。距离我们最近的大星系是天文界赫赫有名的仙女星系，它是我们肉眼可见的最远天体之一，它的直径约为22万光年，距离我们250多万光年远。迄今为止，天文学家发现距离地球最遥远的星系被命名为“UDFy-38135539”，它与地球的距离达到了130亿光年。我们晚上看到天空中一颗明星闪烁的璀璨星光，可能是亿万年前发出的，而此刻它可能已经覆灭在浩瀚的宇宙中。   宇宙的边界与大爆炸   我们常用无边、浩瀚、遥远来形容宇宙，宇宙到底有多大？美国著名天文学家，河外天文学的奠基人以及现代宇宙理论最重要的研究者之一，星系天文学之父爱德文·哈勃，他发现星系红移和距离的关系，建立了哈勃定律，他的发现为宇宙大爆炸理论提供了有力证据，哈勃定律也是现在推算遥远星系距离的重要根据。世界上最大的天文望远镜便是以他的名字命名，它是数十年来人类观测宇宙最重要的工具之一，因为它人们一次次刷新着对宇宙边界的认知。而可观测宇宙也被称为哈勃体积，它是“宇宙有多大”这一概念的度量，而目前据最新推测结果显示哈勃体积，即宇宙可观测的半径为460亿光年。   那么宇宙到底有没有边界，它是真的像我们所说的无边无际，还是无垠宇宙只是我们对其极度辽阔的形容？自从人类认识到宇宙这个物质世界的存在后，科学家们便不断探索宇宙如何起源，边界在哪。而目前，科学家们主要认为宇宙是从约138亿年前的大爆炸中产生的。当时宇宙中所有物质都集中于很小的体积之中，温度和密度都极高，压力极高从而形成了大爆炸，之后的瞬间物质四散而去，温度逐渐降低，这个体积也不断膨胀，形成包罗无数星球、星系和生命的宇宙空间。二十世纪最伟大的科学家之一，被称为“宇宙之王”的霍金，他辉煌传奇的一生中，重要的研究成就之一就是证明了爱因斯坦广义相对论中的奇性定理，证明了宇宙大爆炸开端时空高度畸变的猜想。这场诞生了一切的大爆炸是空间的开端、也是时间的起点。而目前，这个膨胀还没有结束，科学界普遍认为宇宙确实存在所谓的边界，只不过它还在不断地延伸，但它最终能膨胀至几何科学界一直存在争论，有人认为宇宙将不断地膨胀下去，也有人认为这个膨胀存在极限，当这个极限达到时，宇宙将会如同被戳破的气球一般坍塌和收缩。而宇宙中还有很多奥秘——黑洞、暗物质等等，人类对这些谜题的了解还不及冰山上的一角，随着对宇宙探索的逐渐深入，我们对宇宙的边界、起源可能也会迎来全新的认识。   03. 人类探索宇宙的脚步   人类曾经渴望飞翔、渴望突破空间的界限、渴望徜徉于蔚蓝的天空。1903年莱特兄弟发明的飞机第一次试飞成功，就此人类正式开启了飞翔之旅。人类很快意识到仅仅飞上天空是远远不够的，这个宇宙的神秘大多藏匿在大气层以外的太空。   人们知道想要将飞行器送入太空的关键，是要达到足够大的速度使其不会掉落回地面，经典力学的计算的结果告诉我们，飞行器要想维持地球轨道飞行需要达到速度7.9km/s，即第一宇宙速度，又称为环绕速度；想要将飞行器推离地球引起场进而进入太阳或其他太阳系行星轨道需要达到第二宇宙速度11.2km/s，这个速度被人们成为脱离速度；而当我们的探究范围已经不限于太阳系时，我们需要飞行器达到一个可以脱离太阳引力场的速度——16.7km/s，第三宇宙速度亦称逃逸速度。   终于1957年10月，人类开启了探索天空的序幕，前苏联成功发射了第一颗人造卫星。1961年前苏联著名宇航员加加林，成功登陆太空，乘坐“东方”号飞船绕地球飞行了一圈。1966年前苏联“月球”系列航空飞船实现绕其他星体飞行并软着陆。当时正值世界战后两极格局，美苏两超级大国的军备竞争早已不局限于常规武器，他们都将目光延伸至太空。在前期被苏联抢占的先机后，美国人也不甘示弱，终于在1969年，阿波罗11号飞船搭载美国宇航员阿姆斯特朗成功着陆月球，阿姆斯特朗从登月舱出来，在万众瞩目下走下台阶，完成了2小时的月球行走。他留下了著名的“月球脚印 ”，这是人类太空史上值得铭记的一刻，这一小步也为成为人类的一大步。1972年，前苏联“金星8号”在科学意义上着陆于其他星球。1976年美国飞船成功着陆火星，探索其他行星的生命。几十年间，人类的科学痕迹已经到达水星、接近木星、涉足火星、飞越了天王星海王星，遍布整个太阳系。通过多年对宇宙资源的探索，所取得成果对人类农业、畜牧业、化学、生物学等各个领域产生了深远的影响。相信不久的将来，人们将会突破速度和引力的限制，开启太阳系外更广阔的太空的探索之所。   04. 科幻世界的遥远宇宙   虽然现实中，航天飞行器受到诸多限制和约束，以致其活动范围相对局限，人类在影视作品中已经构建出缤纷的外太空世界、模拟出神奇惊人的时空旅行。《降临》、《火星救援》、《地心引力》，随着电影拍摄手段和技术的进步，科幻电影所呈现出的场景越来越宏大，越来越多严谨的科学团队也参与其中，让这些鸿篇巨制除了特效令人眼花缭乱外，剧情也更加符合科学现实。这些优秀的硬科幻影视作品将许多高深玄幻的时空理论、宇宙科学呈现在大荧幕之上，带给大家震撼人心的视听享受，也引发了观众对于探寻宇宙奥秘的兴趣。   2014年，由克里斯托弗·诺兰执导，马修·麦康纳、安妮·海瑟薇等主演的科幻电影《星际穿越》上映，电影对诺贝尔物理学奖获得者基普·索恩的黑洞理论进行了合理化延伸。这位广义相对论下天体物理学研究领域的领军人物最为著名的和备受争议的理论便是他认为虫洞作为时空通道可以实现时间旅行的假说。而《星际穿越》则以此为基础，设定背景为地球生态环境恶化到已经不能维持人类生存，人类被迫开启探索外太空其他生存之地，以寻求物种的延续，而这一切的希望都寄托于土星旁边的一个虫洞。电影呈现了美轮美奂的太空场景、穿越时空的爱情故事，除此之外，空间折叠、黑洞、奇点、时间膨胀等等理论的引入不仅让电影更加合理，也给观众打造了一场极富冲击力的时空盛宴。而电影，主角进入了更高维度的五维空间，在其中时间变成了触手可及的实体，对多维空间的实体化场景构建与呈现如此请直观清晰，令人拍案叫绝。   科幻电影中，我们有更加先进的飞行器、更加高能的燃料，我们把备受争议的理论和猜想模拟成场景，我们有大胆的想象力，构建遥远星球的地貌，我们又极富创造性，勾勒出外星生命的模样。这不是我们单纯的臆测，这是人类对能更深入去了解和探求这个宇宙的渴望，热忱而充满生命力。   宇宙，包罗万物。时间在此开端与流淌、空间在此延展与膨胀、能量在此积蓄与流转、物质在此出现与变换。宇宙已经走过138亿年的历史，这是人类对时间这一概念的度量，它的奥秘与神奇让我们的科学显得概念短缺，它的广袤与宽阔让我们的文字显得苍白无力。我们从没停止过对这神秘宇宙的探索，这是一场对生命与文明盛大的追逐，终有一天，我们可以打破时空的极限，真正地对话空间、触摸时间。